2024年2月20日发(作者：)
永磁磁共振系统讲座
——第六讲 中场永磁MRI实现的主要成像方法及成像序列 (上)
高嵩 俞燕明 包尚联
高嵩先生， 博士，北京大学医学部讲师；俞燕明先生，北京大学医学物理和工程北京市重点实验室博士研究生；包尚联先生，博士导师、教授，北京大学北京市医学物理和工程重点实验室主任，北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心主任。
前面几讲介绍了目前国内已经实现的中场永磁磁体的设计、匀场和工艺技术，为把原来只有在超导MRI设备上才能实现的很多脉冲序列和方法，在中场永磁MRI系统上的实现创造了条件。本讲和下一讲，将重点介绍这方面的情况。
MRI成像方法和成像序列是MRI系统的重要组成部分，跟磁体的场强、主磁场的均匀性、梯度切换率和线性度等多种硬件的技术指标和实现能力有关。因此，能否把高级序列移植到中场MRI系统上已经成为当前研究的热点。本文简要介绍几种高级成像方法和成像序列，并分析了其在中场MRI系统上实现的可行性。
一 MRI的扩散加权成像
1. 磁共振扩散成像的物理原理
扩散是微观粒子由于热运动引起的物质由高浓度区域向低浓度区域的传输。例如将黑色的墨汁滴入清水中就可以明显地观察到墨汁分子在重力作用下在水中扩散的现象。微观粒子在不同环境实现的扩散，都可以用扩散系数来描述它们的扩散能力。人类对扩散的研究已近两个世纪，在这一漫长的历程中人们提出了许多方法来测量扩散系数。但这些方法都依赖于对溶质的浓度梯度的测量，而且不能测量自扩散效应，所以不适用于用MRI设备测量人体内水分子的扩散。
磁共振扩散加权成像技术(DWI)提供了一种非侵入性的、无创的测量人体内水分子扩散系数的方法。脉冲梯度自旋回波(PGSE)法是DWI中使用最多的方法。该序列将一对梯度脉冲配置在180度脉冲两侧，它们比一般 脉 冲序列中的梯度磁场强度大且持续时间长，因而蕏的信号随着自旋核扩散时离开寝位置的距离增加而逐步衰减。测量这个过程中有关物理量，可以得到水分子的扩散系数及扩散的各向异性程度等信息。这一方法已尷地应用于测量人体内水分子的自扩散。
水分子扩散对磁共振信号的影响可以通过布洛赫方程来研究。布洛赫方程提供了解释脉冲激发后NMR现象的最简单、也是最科学的模型，可以很好地解释磁化强度在磁场作用下的演化过程。布洛赫方程加入扩散项后可得
∨∨(∨∨rrMxi+MyjMz−MO∨∂M2=γ(M×B)−−K+D∇M(r,t) （1）
∂tT2T1忽略弛豫项并设主磁场及梯度磁场沿z方向，将正交化可得
rrrr∂M+(r,t)2=−iγ(r⋅G)M+(r,t)+D∇M+(r,t) （2）
∂t⊥解这个方程得
tlnA(t)=−Dγ2∫dt′′[(∫G(t′)dt′)•(∫G(t′)dt′)]+lnA(0)
000t′′rt′′r （3）
对于常规PGSE脉冲序列可得
1ln(A(t)/A(0))=−Dγ2G2δ2(Δ−δ) (4)
3由方程可以看出水分子扩散对磁共振信号的影响，可以用扩散梯度加权的方法进行估计，布洛赫方程也是DWI的理论基础。
自由水分子的扩散是各向同性的，而在人体内非常复杂的解剖和生理环境下，水分子在扩散受到不同程度的约束，例如在白质纤维束中水分子的扩散表现出明显的各向异性。为了表达扩散的方向性，需用扩散张量来描述这个物理过程。通过扩散张量成像(DTI)可以得到各个体素的扩散张量值，数据处理后可以得到多个导出量，利用这些导出量可以定量地研究人体内水分子扩散的各向异性程度，进行神经纤维束成像。
2. DWI及DTI的临床应用
a.
缺血性脑中风的诊断
DWI被认为是缺血性脑中风最灵敏的指示器，大量的临床研究表明，利用DWI可以在中风发生后很短时间内发现信号异常，只有当缺血发生数小时后继发脑水肿，常规MRI及CT图像上才可见异常，这时病情已不可逆转。确定早期缺血性脑中风病人的半暗带对制定治疗方案有重要意义。目前常用的半暗带定义是DWI和PWI异常区域的差异部分，二者重合部分是发生不可逆性损伤的梗塞部分。
神经纤维束成像在判断中风患者的预后方面取得的成果令人鼓舞。研究发现如果皮质脊髓束经过梗塞灶，那么患者的恢复较慢而且效果不好；如果皮质脊髓束经过梗塞灶的边缘，那么患者恢复较快，如果锥体束没有通过梗塞灶，那么患者的语言及手和手指的活动功能可以完全恢复。这为医生判断患者的预后提供了
一种思路。
b.
其它疾病的诊断
恶性肿瘤细胞生理代谢旺盛，细胞组织的密度较高，细胞外容积减少；同时，细胞生物膜的限制和大分子物质如蛋白质对水分子的吸附作用也增强，这些因素的综合作用限制了恶性肿瘤区域内水分子的随机运动。国内外研究发现脑脓肿在DWI图像上均呈高信号，而脑肿瘤坏死、囊变部分均呈低信号，脓腔内的平均ADC值明显低于肿瘤坏死、囊变部分的平均ADC值。因此，DWI可以用于鉴别脑脓肿、坏死或者癌变肿瘤。
了解肝实质或肝内病变中水分子扩散运动的情况，可以用于检测病灶、病变鉴别及对于治疗的评价。研究表明肝硬化区域的ADC值显著低于正常肝组织ADC值，所以利用DWI可以鉴别肝硬化组织的纤维增生程度。
另外DWI及DTI可以用于研究脑白质的发育情况，在脊髓型颈椎病、颅内感染、继发白质神经纤维变性、多发性硬化、前脑无裂畸形症、肾上腺脑白质营养不良、脑室周围白质软化症及癫痫等疾病诊断方面也表现出巨大潜力。
由于扩散系数受温度的影响，所以可以通过扩散系数的测量非侵入性地探测体内温度场的分布，这一技术也称为扩散温度成像。例如：在用聚焦超声治疗肿瘤过程中，如果靶区温度过低则不能达到治疗目的，而靶区外温度过高则可能出现危险，可用DWI技术实时监测靶区温度。
c.
辅助制定手术计划及选择放疗路径
手术治疗脑功能区内或紧邻脑功能区的肿瘤会不同程度地损伤神经，容易造成后遗症。在生理条件下，神经纤维束的位置可以通过解剖标识来估计。神经纤维束附近有肿瘤生长时，肿瘤会推移神经纤维束，所以很难判断肿瘤与神经纤维束之间的空间关系。
用DTI的数据实现神经纤维束成像，可以观察白质纤维束形态变化以及与颅内病灶之间的关系。根据得到的信息制定手术计划，有助于神经外科医生决定应该在何处切除肿瘤组织而不伤及周围主要的脑白质纤维束，降低了发生后遗症的风险。
d.
中场永磁MRI实现DWI的应用前景
永磁型中场MRI的优势是价格便宜、维护简单及可以方便地进行诸如神经外科手术的术中成像、导航和手术结束前的检查和对手术计划的验证。所以，中场MRI能否实现DTI是当前研究的一个重要脉冲序列和成像方法。
在外科手术过程中，病人有可能发生局部脑缺血。例如在肾脏手术时，为了减少出血会给病人注射凝血剂，这样可以减少病人出血，但增加了发生缺血性脑中风的危险。这就要求进行术中的监测，以便及时发现术中发生的情况并及时治疗。
神经外科医生还经常需要术前、术中的神经纤维束成像。在神经外科手术过程中由于手术体位、使用脱水剂和术中脑脊液流失等原因会造成脑内物质的位移，这会使术前神经纤维束成像结果不再适用，所以术中的神经纤维束成像可以
起到对术者的实时导航和防止误伤关键脑组织的作用。
在中场永磁系统上实现扩散成像应该没有问题，可以采用的方法也很多，问题是由于信噪比相对于超导MRI来说低一些，用DTI实现纤维束跟踪时，会产生更多的不确定性和伪影。在现有硬件的条件下，通过方法学的研究成果，首先是实现临床能用的DTI成像方法，其次是通过图像后处理方法，通过将噪声处理和改善纤维束跟踪算法，提高基于DTI数据获得扩散系数和各向异性度参数的精度，从而实现高精度的白质纤维束跟踪算法，达到临床可以接受的精度并实现显示，这是目前正受到关注的热点。
二
中场MRA技术的实现和改进
1.
血流成像和血管造影(MRA)的物理原理
MRA利用血液的流动效应在磁共振的图像上测量血流并实现可视化的一种技术，目前临床已经广泛使用的MRA技术可以分为两类：一类是依赖血流本身的流动效应使血流和周围组织产生对比度来实现成像，比如飞行时间法(TOF：Time Of Flight)MRA、PC MRA。另一类是通过加顺磁性对比剂来缩短血流的T1值，使血流的MR信号和周围信号之间形成对比度。如果从图像表达形式来看，MRA图像可以分为“亮血”MRA和“黑血”MRA。其中“黑血”是指用最小投影算法得到的MRA图像，在图像上血管位置是黑色，而“亮血”指的是用最大投影法得到的图像，血管位置是亮的，而周围组织是暗的。
已经在临床应用的MRA包括飞行时间法、运动感应的相位变化法。
a.
飞行时间法MRA(TOF MRA)
TOF MRA用一般梯度回波序列实现的脉冲序列图如图3：
TOF MRA主要是利用FRE(流动相关增强)效应使血流信号增强。FRE的意思是所选层面上静止组织经过RF脉冲多次激发以后，静止组织的信号达到饱和，而未被激发过新鲜血液流入选层层面时，在RF脉冲激发下产生MRA信号。为我们要尽量降低选层厚度提高分辨流动血流的快慢程了使FRE的效应尽可能大，度，并根据不同的硬件条件，通过优化成像参数来增强MRA的图像效果。在实现上述成像时，还要考虑梯度方向上的运动相移和高阶运动散相产生的信号损失。解决这些问题，常常采用梯度矩归零GMN(Gradient Moment Nulling)技术，即在Gp和Gr方向加上流动补偿，这样会增加TE时间的长度，有增大散相和其它伪影发生的可能性。需要权衡利弊，一般只在某一梯度方向上加一阶流动补偿。实际的商用磁共振成像仪上采用的增强对比度方法有：(1)采用可变激发倾角技术，就是沿流动方向线性增大激发角来减轻饱和效应，使脉冲激发角沿着血液流动方向逐渐减小的所谓TONE (Tilted Optimized Nonsa-turating Excitation)方法；(2)采用磁化强度转移饱和(MTS：Magnetization Transfer Saturation)，设计专门的脉冲来饱
和被大分子束缚的水质子，通过磁化强度交换来饱和静止组织正常水质子，而血流中大分子上的质子信号和正常水质子不易发生磁化强度交换，从而抑制背景信号而不影响血流信号；(3)血液的磁化率比周围组织大，相应的T2*也要比周围组织大，在使用梯度回波进行MRA时，可以通过使用比较长的TE来做T2*加权像来增大血液和周围组织的对比度。
b.
相位对比度血管造影(PC MRA)
执行PC MRA首先要使用一些技术手段使一个流动的质子可测，探测一个质子的运动一般使用以下几种方法：一是在某个脉冲序列上面的一个梯度方向上加双极性梯度脉冲，静止的质子加了双极性梯度脉冲后就不再有相移，但是对于一个运动的质子来说，所产生的相移不仅和速度有关还和所加的梯度在时间上的积分有关系，一个运动的质子感应在双极脉冲梯度中感应的相移可以表达为Φ=γvTAg,Ag=∫g(t)dt，这样相移就和速度成正比，在图像上血流质子的运动就直接表现在所在象素相移上。二是聚相—散相模减技术，就是用相同的脉冲序列相同的参数采集同一层面的两幅模像，一幅脉冲序列加了流动补偿而另外一幅没有，这两幅模像的静止组织信号相同，血流信号在有流动补偿的时候信号值比较大，而没有流动补偿的时候信号值比较小，两次的图像相减就只剩下有增强的血管图像了。
三是流动—编码梯度反转极性复数减技术，这种技术就是在两参数完全相同的序列的读梯度前加两组极性相反的流动编码梯度，由于梯度极性相反，使有同样速度的自旋核有相反的相移(如图6)，然后对所采集的两组数据进行复数减，在静止组织区域中两组数据有完全相同的信号，但是对流动的血流两组数据有相反的相移，由此可以区别血流信号和周围组织信号。所得到的复数数据差可以用模重建也可以用相位重建。
相对于TOF MRA，PC MRA有它的优点：(1)PC MRA，特别是二维PC MRA的采集时间短；(2)PC MRA的成像视野不受限制。而在执行TOF MRA时，血流流动方向最好要和选层层面垂直才能达到好的造影效果，而对于和选层层面方向平行或者成的角度很小的血流，TOF MRA的造影效果通常比较差；(2)PC MRA的数据是定量化的数据。而从根本来说，TOF MRA采集的数据属性是定性数据，在速度大于一定阈值时，图像信号对速度就不敏感了。
c.对比度增强血管造影(CE-MRA)
CE-MRA主要是通过在静脉注射磁显葡胺对比剂进入到血液循环系统，使血液中的T1值明显降低，再通过各种快速序列的扫描使血流和周围组织产生明显的对比度，这样通过血管造影显示的血管图像更多是反映血流信息而不是血管本身形态的信息，能够更好检查各种血管堵塞和狭窄。CE-MRA是高场的机器用来血管造影的一种重要方法，由于造影剂本身无肾毒性，特别适合用于重病患者的动脉系统检查。要得到一幅完美的CE-MRA图像，除了需要一般的由主磁场、射频场不均匀、梯度场非线性相关的伪影纠正，磁化率产生伪影纠正，各种生理运动引起的伪影纠正和抑脂技术等，还需要对比剂追踪技术和高分辨率技术这两类
特殊技术。
对比剂追踪技术是准确判断动脉内对比剂的到达时间，过早或过迟扫描均不能得到高对比度、高分辨率动脉图像，过早扫描会导致由于对比剂还没有到达动脉增强不足而使动脉显影不良，过迟扫描则会出现静脉及周围软组织增强显影造成的污染。目前，对比剂的团注射试验法、透视触发技术及自动触发技术是商用高场超导磁共振扫描仪用于判断对比剂到达时间的常用方法和技术。团注射试验法先通过注射一些试剂通过采集信号来判断到底对比剂到达采集区域的时间，使信号在采集时候有最大值。缺点就是容易造成静脉周围组织污染，在正式采集时对比剂效果不明显了，也会造成检测费用的增大。透视触发技术就是在注入对比剂以后一直用快速序列扫描感兴趣区，看到对比剂到了以后就开始扫描，这种方法主要缺点是从人的反应到动手需要一定的时间(s量级)，在加上硬件的延迟时间，对于快速序列(TR为ms量级)还是容易造成一定误差，但是在临床上还是用得比较广，准确度基本上能够达到一般扫描的要求。自动触发技术先设定一定的阈值表示信号的增益，当含有对比剂的血流通过采集区域时候，如果信号的增益达到阈值就自动开始采集，阈值选择合理就会达到比较理想的效果。
高分辨率技术：CE-MRA图像都用快速序列扫描的，一般是在很短时间内采集完的，在中心附近处决定对比度的低频数据是在信号最大的时候采集的，图像的对比度一般都比较好，但是在外围的高频数据由于相位编码步数不够多，所以在相位编码方向的分辨率都不高，需要采用一些技术来提高分辨率。比如零点填充技术，时间分辨对比剂动态显像技术(Time-Resolved Imaging of Contrast
KineticS，TRICKS)等。零点填充技术通过插值决定图像对比度K空间中心部分低频数据，虽然不提高信噪比，但是可以有效提高分辨率，减少由于局部容积效应引起的模糊。TRICKS技术把K空间数据分成三部分，利用椭圆形K空间中心填充法(Elliptical Centric Ordering)和一些规定的规则填充K空间，重建出的图像信噪比高、对比度好。但是由于采集轨迹的不规则性，在重建图像是需要用比一般的CE-MRA更多的时间。
2.
MRA的临床应用
对于各种动静脉的堵塞、狭窄、变形，DSA显示范围不如MRA大，MRA可以三维任意方向显示远端的血管，而DSA只能二维显示插管范围的血管。超声成像扫描仪使用简单、方便，并可测出流速、血管断面等，但不能直观地显示形态学改变，和其它成像仪器相比较高的假阳性及假阴性率，在临床应用中受到一定的限制。多层CT动脉血管成像MIP重建后的图像直观、清晰、客观准确且无创，但如果要显示较大范围的血管对机器的硬件要求特别高，CTA像DSA一样具有辐射性，造影剂有一定的肾毒性和有发生过敏反应的可能，这些原因都限制了临床上的使用。常规磁共振血管成像技术(如2D、3DTOF法、PC法，下肢
MRA以2D TOF法最常用)无创、无需造影剂，但其空间分辨率低、图像信噪比差、扫描时间长、不能同时显示三段大范围的血管树，且有一定的假阳性。CE-MRA可以克服TOF MRA固有的一些伪影、信噪比低的缺点，也可以一定程度上克服TOF MRA对血管狭窄的夸大估计。结合了追踪技术和高分辨率技术，CE-MRA在图像上时间分辨率和空间分辨率几乎可以和DSA相媲美了，在临床上对于各种部位，如头部、颈部、冠脉系统、腹部、盆腔的血管疾病都能够做出很好的判断。与其它成像方式相比，CE-MRA又对血管本身的各种病变(动脉瘤、狭窄、变形)有优越的敏感性，其临床应用价值还可以进一步开发。
3.
MRA在0.5T中场永磁系统上的实现
血管造影是各种快速序列的应用，各种快速序列是实现血管造影的基础。在硬件方面，相对于0.35T的低场永磁系统，0.5T中场永磁系统在主场强上已经有了较大幅度的提高，随着各种先进的梯度线圈和射频线圈技术的应用，新一代永磁扫描仪在硬件系统和低场系统相比已经有较大的进步。其中，使主磁场的均匀度提高到1~2ppm，设计良好的自屏蔽梯度线圈防止涡流引起伪影是中场永磁硬件系统开展MRA工作的关键，也是实现快速成像的基础。如果主磁场的均匀度不够，由主磁场提高带来图像信噪比的提高将在很大程度上被均匀度不够带来的信噪比下降抵消。另外，带有自屏蔽的高性能梯度线圈和多通道射频线圈也是实现K空间快速采集重要的硬件基础。在序列和软件方面，应该把在高场上的各种伪影纠正和波形设计技术很好地移植到0.5T中场永磁系统，中场永磁系统才有可能很好地实现高场超导系统才能实现好的快速脉冲序列，在中场永磁系统上的血管造影图像也能够比低场系统图像有较大幅度的提高。血管造影在中场永磁系统一般可以下面的方式实现：
a.
黑血造影法(Black Blood Angiography)
由于对各种血管狭窄比较敏感而且对各种血管的搏动不易产生伪影，黑血造影法在临床上有广泛的应用。实际上一般采用四类技术实现黑血造影：(1)空间预饱和脉冲法。就是在成像主序列开始运行前饱和血液流入方向层面的自旋核，然后可以加任何脉冲序列(FSE、EPI、各种高级GE序列等)进行血管造影；(2)流空效应。在激发某一层面后，聚焦脉冲再次作用于该层面时，该层面血管内被激发的质子已经全部或者部分流出该层面使血管内的血液信号比周围静止组织小。这种方法一般通过FSE序列来实现，就是通过血流速度和层厚来计算TE大小，使在加第一个180度RF脉冲时候层面内被激发的血流都已经流出这个层面，然后对该层面成像；(3)在运行IR序列时通过选择合适的TI值使血管信号为零，类似于STIR、FLAIR技术。这种序列对高速的血流效果很好但是对于低速血流效果不明显，现在一般采用双反转恢复(Double Inversion Recovery，DIR)技术来实现循环和低速血流造影，所谓的DIR技术就是先用一个非选择脉冲180度反转整个成
像区域的自旋核，然后使用选层180度脉冲反转所需成像层面自旋核到原来状态，通过两个脉冲的间隔时间T1，使流入层面的自旋核的纵向磁矩恢复为零，这样流入的自旋核就不产生信号，使用这种技术一般用绝热脉冲的效果比非绝热脉冲效果要好。三反转恢复(Triple Inver-sion Recovery，TIR)技术和DIR技术原理一样，先加一个非选择个180 龀宸醋 龀上袂 颍 缓蠹恿礁?80 〔懵龀澹 ü齌1和三个脉冲之间的两个时间间隔和使所需要抑制的血流和脂肪信号在加主序列之前恢复为零，从而既实现了黑血造影又实现了脂肪信号的抑制；(4)磁化率权重成像(Susce-ptibility Weighted Imaging)由于血液组织和其它组织的磁化率相差比较大，一些序列，比如3D-GE，可以通过选择TE和TR来突出血液磁化率的权重。
b.
亮血造影法
亮血造影法包括TOF MRA和CE-MRA，TOF MRA和CE-MRA都是用各种快速序列来扫描出T1加权像，可以用FLASH、Balanced-SSFP梯度回波序列，由于FLASH有利于消除脑脊液和各种液体的流动伪影，所以一般可以采用FLASH来实现CE-MRA。PC MRA只要在任何脉冲序列(EPI、SPIRAL、GE)的三个方向的其中任一方向梯度上面加双极脉冲就可以成相位对比度血管造影，前面提到过的第一种PC MRA是相对最可能实现的方法。PC MRA对谱仪的精度要求比较高，对涡流也非常敏感，这种造影方法是对整个中场系统的性能的很大考验。对于CE-MRA，除了运行良好的快速脉冲序列外，最重要的是前面提到过的准确判断造影剂的到达时间的追踪技术和采用各种采集轨迹使对比度最大，并发展相应的高分辨率重建技术。
（全文完）
来源于：《世界医疗器械》5月刊
