加快磁共振成像速度——浅谈MR快速成像序列的演变
作者：彭振军 孔祥泉 冯敢生 曾祥阶
单位：彭振军(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)；孔祥泉(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)；冯敢生(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)；曾祥阶(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)
关键词：
放射学实践000218 【摘要】 在保证一定MR图像质量的前提下,加快MR成像速度一直是推动MR 技术发展的动力。本文以加快MR成像速度为线索，通过对影响MR成像速度几种因素的分析， 试图揭示快速MR成像序列的演变过程，希望能对MR成像技术基础知识的普及有所裨益。
几年以前,当人们谈到MR成像技术时,很难避开的一个缺陷就是:MR成像速度较慢而限制 了它在临床应用的范围。因而引发了世界范围内各生产医用MR设备的厂家,不遗余力地投入 大量人力和物力对MR成像设备的性能进行开发。其中很重要的一个部分就是对成像速度的改 良，以便其在医用MR成像领域占居主导地位。
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MRI与CT成像速度的比较
若单纯从完成检查同一病例的成像时间作比较,MRI的成像时间肯定要长。首先，CT扫描往往 只在一个方位(横断面)成像,而MRI除有多方位(横断、矢状、冠状及斜位)成像外,在其 中某一个方位上还有多参数的成像(如T1加权、T2加权及质子加权成像等),如此势必花 费较长的时间。
如从单一层面的成像方面考虑，常规SE序列平均每完成一层图像的扫描时间为15～30s,而常 规CT每扫描一层图像所需时间为3s左右。而MR快速成像技术的代表——平面回波成像(EPI ),其平均每一层面成像所花费的时间仅为0.1s左右,与代表当今快速CT扫描技术——螺旋扫 描比较,其扫描一层所花的时间也要0.5s。也许将MRI与CT扫描速度作比较不太适宜,且没有 多大实际意义,但由此便可看出MRI技术在速度方面的突飞猛进。
完成同一病例的检查速度
, 百拇医药
MRI<
完成单一层面图像的成像速度
常规MRI<<常规CT
快速MRI>>螺旋CT
影响MR成像速度的因素
一般来看,MR成像速度包括2个方面：①原始数据处理速度,②扫描速度。对原始数据的处理速度主要是看MR系统所采用的计算机系统处理数据的能力。这在计算 机技术高速发展的今天已不成问题。所有MR设备的计算机系统均具备在MR信号采集的过程中 行处理数据的能力,当完成一组数据的采集后,计算机已基本将原始数据处理完毕。因此，数 据处理速度对MR成像速度的影响并不太大。
扫描速度才是决定MR成像速度的主要方面。扫描时间由下式确定：
, 百拇医药
扫描时间＝重复时间(TR)×相位编码数×平均次数
所以,影响MR成像速度的主要因素为重复时间,相位编码数及MR信号的平均次数[1] 。
1.重复时间(TR):指介于两个连续脉冲序列起点之间的时间。无论采用何种脉冲序列,TR均有 一个特定值。对TR的取值一般根据组织的T1特性确定。为使组织达到充分的弛豫，TR一般 为5倍左右的T1值。如纯水的 T1值为3s,那么仅对纯水其TR值可选择15000ms左右。但 对活体组织的成像并不是使之达到充分的弛豫才表现最佳的显示效果。实际上为了形成较好 的组织对比而选择了远小于使所有组织充分弛豫的TR值。常规TR的取值范围为30～15000m s。由此可见，是临床实际的需要而限定了TR的取值。余下的问题是：为什么不选用小的TR 值来完成扫描呢?这可是一个加快成像速度的极好机会。这个问题将在快速成像序列的演变 过程中讨论。
, 百拇医药
2.相位编码数:要弄清这个问题必须复习传统的MR成像数据采集过程。首先面对的是一个具 有一定行数和列数的体素矩阵。体素矩阵的列代表频率编码数，在此方向施加梯度可使每一 体素产生的MR信号的频率不同,在每个成像周期内的特定时间施加相同的频率编码梯度有利 于体素的空间定位,它不影响扫描时间。体素矩阵的行代表相位编码数,在此方向施加梯度可 使每一体素内磁化向量的相位不一致,它与频率编码梯度合用则形成每一体素空间的确切位 置。相位编码数与扫描时间成正比。传统的MR成像数据采集是沿相位编码方向进行的,且每 采集一行均需一个完整的成像周期(TR)。若需获得一幅体素矩阵为256×256的图像,则采集 至少需256× TR的时间,而通常采用128×TR的时间也可以获得较为满意的效果,且成像时间 缩短了1倍,只是图像的像素由原来的正方形变成长方形了。但减少相位编码数也是有限的, 否则图像的效果就得不到观察者认可。同样留下问题:既然减少相位编码数有限,那 么还能采取其它方法,如一次激励在相位编码方向上有多次信号采集,或者一次激励后将所有 的信息全部采集呢?这些做法也会使扫描时间成倍地减少。这也将是后面要讨论的问题。
, 百拇医药
3.平均次数:为了获得高信噪比的MR图像,通常采用增加信号平均次数的方法。但这种方法有其局限性,即扫描时间与平均次数成线性关系。平均次数加倍,扫描时间也成倍增长,而 信噪比的增加仅与平均次数的平方根成正比。这种增加平均次数的方法对缩短扫描时间是无 益的,但对图像质量的改善是有益的,故应酌情采纳。
磁共振快速成像序列的演变
以上所述的内容是建立在传统自旋回波(SE)序列的基础上进行讨论的。为了加快扫描速度, 可以采用缩短TR值和减少相位编码数等方法,但前提是必须保证一定的图像质量。
1. 梯度回波(GRE)序列
既然传统的SE序列也不必使所有成像区域的组织结构达到充分的弛豫而成像,就使得采用梯 度回波的方法对组织成像成为可能。GRE序列是目前MR快速扫描中最为成熟的一种方法,它可 使扫描时间较传统的SE序列缩短近100倍或更多。
, 百拇医药
GRE序列的典型代表——FLASH(快速小角度激发成像)序列,是采用频率编码梯度的反转形成 回波,用以取代传统SE序列中采用的180°复相脉冲。通过这种改良,其每次序列的起始脉冲 就不必采用SE序列的90°脉冲激励,而是用小于90°的脉冲激励,而留下一部分纵向磁化矢 量不予扰乱。然后，经频率编码梯度的翻转形成回波，这就减少了整个序列的重复时间,T R值减少,整个扫描时间也就缩短了。但在 SE序列中必须等到纵向磁化向量完全恢复之后才 能重复下一个脉冲,故其TR较长[1]。
2. 快速自旋回波(TSE)序列
利用MR诊断病变最经典的图像是SE序列所成的图像。因此而发明了既有常规SE的对比度,又 能明显缩短时间的TSE序列。为了理解的方便,必须引入K-空间的概念。所谓K-空间,是指M R数据采集中所使用的一种频率空间,K-空间的每一条线代表一次TR中所得到的一个信号,且 这个信号又是包含有该扫描层面的数据。它有别于MR图像中的像素矩阵,因为 K-空间内的 每一条线并不与实际扫描层面及MR图像的特定部位相对应[2]。但在传统的SE序列 中, K-空间内的某一条线却正好可以形象地理解成为相位编码的某一行。
, 百拇医药
在TSE序列中,单个TR周期所产生的回波数称回波链长(ETL),每一次TR均可获取2～16或更 多个回波信号,并将其全部放入一个K-空间内。由此可见,与传统SE序列相比,在完成同样一 组图像数据的采集过程中,TSE所花费的时间只是SE序列的1/ETL倍[3]。那么:
扫描时间(TSE)=TR×(相位编码数/ETL)×平均次数
若ETL为16,则在每一TR周期内可进行16个相位编码的数据采集,那么一幅256×256矩阵的图 像只需256/16倍的时间即可完成。而传统SE序列在每一TR周期内只进行一次相位编码的数据 采集,那么一幅256×256矩阵的图像则需要256倍的时间才能完成。
3. 快速梯度自旋回波(TGSE)序列
TSE序列中每一次180°复相脉冲后均有一次信号采集,即每一回波链中只有一次信号采集。 而在快速梯度自旋回波(TGSE)序列,每一回波链中有多次信号采集。这需要在每一回波链间 期施加快速再聚焦梯度以产生多个信号。这样就使得扫描速度进一步加快,回波链间期产生 的信号越多,完成整套图像数据采集的时间越少。若每一回波链间期产生的信号数为N,则 TG SE扫描所花的时间为TSE的1/N倍。那么
, 百拇医药
扫描时间(TGSE)=TR×[相位编码数/(ETL×N)]×平均次数
若采用2s的TR,256的相位编码数,1次平均,传统SE序列所需时间为2×256×1(s),约8.5min,T SE序列所用ETL为4,则约需8.5/4=2.1min 左右的采集时间;TGSE序列中的ETL仍为4,其每一回 波链间期再聚焦梯度次数为3,则约需2.1/3=0.7min的采集时间。
图1(A,B,C)分别表示SE,TSE及TGSE序列在同一TR周期内产生的信号个数。
图1 一 个TR周期内SE、TSE及TGSE序列所产生的信号个数。
4. 平面回波成像(EPI)技术
, http://www.100md.com 代表当今MR成像最快速度的扫描技术莫过于平面回波成像(EPI)技术。它是在TGSE序列的基 础上演变出来的一种扫描技术。在TGSE序列中,多次180°复相脉冲的间期,通过再聚焦梯度 转换过程可以产生多个信号,那么就使得单次激发后经多次再聚焦梯度转换产生一系列的回 波信号成为可能,这便是单次激发EPI的来由。
无论TSE序列采用多大的ETL,还是TGSE序列采用的ETL与再聚焦梯度转换次数的积有多大,其 相位编码数/ETL或相位编码数/(ETL×N)的结果都不可能小于1。而单次激发EPI是在一次采 集中获得一系列的回波信号,并将这一系列的回波信号一次充满整个K-空间[4]。 那么
扫描时间(EPI)=TR×1×平均次数
图2(A,B,C,D)分别表示SE,TSE,TGSE及EPI在一个TR周期内回波信号分别填充K-空间的过程 [5]。
, http://www.100md.com
图2 一个TR周期内SE 、TSE、TGSE及EPI的回波信号分别填充K-空间的过程。
值得说明的是,为了缩短MR成像时间,人们还采取了一些其它的方法,如非对称视野、半付里 叶转换等技术。还有许多为满足诊断需要设计出的扫描序列,本文均未涉及。作者仅对快速 成像序列的演变提出了一点肤浅的认识。
参考文献
[1]隋邦森,吴恩惠,陈雁冰.磁共振诊断学[M].北京:人民卫生出版社,1994.21-2 5.
[2]高培毅,林燕,戴建平，等. 颅内肿瘤的快速自旋回波磁共振成像[J]. 中华放射学杂 志,1994,28∶858-860.
[3]Feinberg DR.GRASE imaging provides image quality and speed[J].Diagnostic I maging,1993,58-68.
[4]Edelman RR.Echo-planar MR imaging[J].Radiology,1994,192∶600-612.
[5]Edelman RR. Fast magnetic resonance imaging: a primer, siemens medical system [C]. Copyright by the SMRI,1992.
(1999-10-15 收稿), 百拇医药
单位：彭振军(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)；孔祥泉(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)；冯敢生(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)；曾祥阶(430022 同济医科大 学附属协和医院放射科)
关键词：
放射学实践000218 【摘要】 在保证一定MR图像质量的前提下,加快MR成像速度一直是推动MR 技术发展的动力。本文以加快MR成像速度为线索，通过对影响MR成像速度几种因素的分析， 试图揭示快速MR成像序列的演变过程，希望能对MR成像技术基础知识的普及有所裨益。
几年以前,当人们谈到MR成像技术时,很难避开的一个缺陷就是:MR成像速度较慢而限制 了它在临床应用的范围。因而引发了世界范围内各生产医用MR设备的厂家,不遗余力地投入 大量人力和物力对MR成像设备的性能进行开发。其中很重要的一个部分就是对成像速度的改 良，以便其在医用MR成像领域占居主导地位。
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MRI与CT成像速度的比较
若单纯从完成检查同一病例的成像时间作比较,MRI的成像时间肯定要长。首先，CT扫描往往 只在一个方位(横断面)成像,而MRI除有多方位(横断、矢状、冠状及斜位)成像外,在其 中某一个方位上还有多参数的成像(如T1加权、T2加权及质子加权成像等),如此势必花 费较长的时间。
如从单一层面的成像方面考虑，常规SE序列平均每完成一层图像的扫描时间为15～30s,而常 规CT每扫描一层图像所需时间为3s左右。而MR快速成像技术的代表——平面回波成像(EPI ),其平均每一层面成像所花费的时间仅为0.1s左右,与代表当今快速CT扫描技术——螺旋扫 描比较,其扫描一层所花的时间也要0.5s。也许将MRI与CT扫描速度作比较不太适宜,且没有 多大实际意义,但由此便可看出MRI技术在速度方面的突飞猛进。
完成同一病例的检查速度
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MRI<
完成单一层面图像的成像速度
常规MRI<<常规CT
快速MRI>>螺旋CT
影响MR成像速度的因素
一般来看,MR成像速度包括2个方面：①原始数据处理速度,②扫描速度。对原始数据的处理速度主要是看MR系统所采用的计算机系统处理数据的能力。这在计算 机技术高速发展的今天已不成问题。所有MR设备的计算机系统均具备在MR信号采集的过程中 行处理数据的能力,当完成一组数据的采集后,计算机已基本将原始数据处理完毕。因此，数 据处理速度对MR成像速度的影响并不太大。
扫描速度才是决定MR成像速度的主要方面。扫描时间由下式确定：
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扫描时间＝重复时间(TR)×相位编码数×平均次数
所以,影响MR成像速度的主要因素为重复时间,相位编码数及MR信号的平均次数[1] 。
1.重复时间(TR):指介于两个连续脉冲序列起点之间的时间。无论采用何种脉冲序列,TR均有 一个特定值。对TR的取值一般根据组织的T1特性确定。为使组织达到充分的弛豫，TR一般 为5倍左右的T1值。如纯水的 T1值为3s,那么仅对纯水其TR值可选择15000ms左右。但 对活体组织的成像并不是使之达到充分的弛豫才表现最佳的显示效果。实际上为了形成较好 的组织对比而选择了远小于使所有组织充分弛豫的TR值。常规TR的取值范围为30～15000m s。由此可见，是临床实际的需要而限定了TR的取值。余下的问题是：为什么不选用小的TR 值来完成扫描呢?这可是一个加快成像速度的极好机会。这个问题将在快速成像序列的演变 过程中讨论。
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2.相位编码数:要弄清这个问题必须复习传统的MR成像数据采集过程。首先面对的是一个具 有一定行数和列数的体素矩阵。体素矩阵的列代表频率编码数，在此方向施加梯度可使每一 体素产生的MR信号的频率不同,在每个成像周期内的特定时间施加相同的频率编码梯度有利 于体素的空间定位,它不影响扫描时间。体素矩阵的行代表相位编码数,在此方向施加梯度可 使每一体素内磁化向量的相位不一致,它与频率编码梯度合用则形成每一体素空间的确切位 置。相位编码数与扫描时间成正比。传统的MR成像数据采集是沿相位编码方向进行的,且每 采集一行均需一个完整的成像周期(TR)。若需获得一幅体素矩阵为256×256的图像,则采集 至少需256× TR的时间,而通常采用128×TR的时间也可以获得较为满意的效果,且成像时间 缩短了1倍,只是图像的像素由原来的正方形变成长方形了。但减少相位编码数也是有限的, 否则图像的效果就得不到观察者认可。同样留下问题:既然减少相位编码数有限,那 么还能采取其它方法,如一次激励在相位编码方向上有多次信号采集,或者一次激励后将所有 的信息全部采集呢?这些做法也会使扫描时间成倍地减少。这也将是后面要讨论的问题。
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3.平均次数:为了获得高信噪比的MR图像,通常采用增加信号平均次数的方法。但这种方法有其局限性,即扫描时间与平均次数成线性关系。平均次数加倍,扫描时间也成倍增长,而 信噪比的增加仅与平均次数的平方根成正比。这种增加平均次数的方法对缩短扫描时间是无 益的,但对图像质量的改善是有益的,故应酌情采纳。
磁共振快速成像序列的演变
以上所述的内容是建立在传统自旋回波(SE)序列的基础上进行讨论的。为了加快扫描速度, 可以采用缩短TR值和减少相位编码数等方法,但前提是必须保证一定的图像质量。
1. 梯度回波(GRE)序列
既然传统的SE序列也不必使所有成像区域的组织结构达到充分的弛豫而成像,就使得采用梯 度回波的方法对组织成像成为可能。GRE序列是目前MR快速扫描中最为成熟的一种方法,它可 使扫描时间较传统的SE序列缩短近100倍或更多。
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GRE序列的典型代表——FLASH(快速小角度激发成像)序列,是采用频率编码梯度的反转形成 回波,用以取代传统SE序列中采用的180°复相脉冲。通过这种改良,其每次序列的起始脉冲 就不必采用SE序列的90°脉冲激励,而是用小于90°的脉冲激励,而留下一部分纵向磁化矢 量不予扰乱。然后，经频率编码梯度的翻转形成回波，这就减少了整个序列的重复时间,T R值减少,整个扫描时间也就缩短了。但在 SE序列中必须等到纵向磁化向量完全恢复之后才 能重复下一个脉冲,故其TR较长[1]。
2. 快速自旋回波(TSE)序列
利用MR诊断病变最经典的图像是SE序列所成的图像。因此而发明了既有常规SE的对比度,又 能明显缩短时间的TSE序列。为了理解的方便,必须引入K-空间的概念。所谓K-空间,是指M R数据采集中所使用的一种频率空间,K-空间的每一条线代表一次TR中所得到的一个信号,且 这个信号又是包含有该扫描层面的数据。它有别于MR图像中的像素矩阵,因为 K-空间内的 每一条线并不与实际扫描层面及MR图像的特定部位相对应[2]。但在传统的SE序列 中, K-空间内的某一条线却正好可以形象地理解成为相位编码的某一行。
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在TSE序列中,单个TR周期所产生的回波数称回波链长(ETL),每一次TR均可获取2～16或更 多个回波信号,并将其全部放入一个K-空间内。由此可见,与传统SE序列相比,在完成同样一 组图像数据的采集过程中,TSE所花费的时间只是SE序列的1/ETL倍[3]。那么:
扫描时间(TSE)=TR×(相位编码数/ETL)×平均次数
若ETL为16,则在每一TR周期内可进行16个相位编码的数据采集,那么一幅256×256矩阵的图 像只需256/16倍的时间即可完成。而传统SE序列在每一TR周期内只进行一次相位编码的数据 采集,那么一幅256×256矩阵的图像则需要256倍的时间才能完成。
3. 快速梯度自旋回波(TGSE)序列
TSE序列中每一次180°复相脉冲后均有一次信号采集,即每一回波链中只有一次信号采集。 而在快速梯度自旋回波(TGSE)序列,每一回波链中有多次信号采集。这需要在每一回波链间 期施加快速再聚焦梯度以产生多个信号。这样就使得扫描速度进一步加快,回波链间期产生 的信号越多,完成整套图像数据采集的时间越少。若每一回波链间期产生的信号数为N,则 TG SE扫描所花的时间为TSE的1/N倍。那么
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扫描时间(TGSE)=TR×[相位编码数/(ETL×N)]×平均次数
若采用2s的TR,256的相位编码数,1次平均,传统SE序列所需时间为2×256×1(s),约8.5min,T SE序列所用ETL为4,则约需8.5/4=2.1min 左右的采集时间;TGSE序列中的ETL仍为4,其每一回 波链间期再聚焦梯度次数为3,则约需2.1/3=0.7min的采集时间。
图1(A,B,C)分别表示SE,TSE及TGSE序列在同一TR周期内产生的信号个数。
图1 一 个TR周期内SE、TSE及TGSE序列所产生的信号个数。
4. 平面回波成像(EPI)技术
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无论TSE序列采用多大的ETL,还是TGSE序列采用的ETL与再聚焦梯度转换次数的积有多大,其 相位编码数/ETL或相位编码数/(ETL×N)的结果都不可能小于1。而单次激发EPI是在一次采 集中获得一系列的回波信号,并将这一系列的回波信号一次充满整个K-空间[4]。 那么
扫描时间(EPI)=TR×1×平均次数
图2(A,B,C,D)分别表示SE,TSE,TGSE及EPI在一个TR周期内回波信号分别填充K-空间的过程 [5]。
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图2 一个TR周期内SE 、TSE、TGSE及EPI的回波信号分别填充K-空间的过程。
值得说明的是,为了缩短MR成像时间,人们还采取了一些其它的方法,如非对称视野、半付里 叶转换等技术。还有许多为满足诊断需要设计出的扫描序列,本文均未涉及。作者仅对快速 成像序列的演变提出了一点肤浅的认识。
参考文献
[1]隋邦森,吴恩惠,陈雁冰.磁共振诊断学[M].北京:人民卫生出版社,1994.21-2 5.
[2]高培毅,林燕,戴建平，等. 颅内肿瘤的快速自旋回波磁共振成像[J]. 中华放射学杂 志,1994,28∶858-860.
[3]Feinberg DR.GRASE imaging provides image quality and speed[J].Diagnostic I maging,1993,58-68.
[4]Edelman RR.Echo-planar MR imaging[J].Radiology,1994,192∶600-612.
[5]Edelman RR. Fast magnetic resonance imaging: a primer, siemens medical system [C]. Copyright by the SMRI,1992.
(1999-10-15 收稿), 百拇医药