一、脉冲序列
脉冲是 相对于连续信号在整个信号周期内短时间发生的信号,大部分信号周期内没有信号。
序列是具有一定带宽、一定幅度的射频脉冲与梯度脉冲的有机组合。
MR图像的信号强度取决于射频脉冲的发射方式、梯度磁场的引入方式和MR信号的读取方式等。为不同成像目的而设计的一系列射频脉冲、梯度脉冲和信号采集按一定时序排列称作脉冲序列。
为方便后续的理解,这里给出脉冲和脉冲序列的定义:产生一个磁共振图像数据的步骤通常叫作脉冲序列。
像脉搏似的短暂起伏的电冲击
原始傅里叶成像
↓(修改t1为固定量,Gy为步进值)
spin-warp傅里叶成像
↓(采集回波信号而非自由感应衰减信号FID)(规避前端误差和延时采样)
回波技术(通常伴随一定信号损失)
自旋回波(SE)序列、反向恢复(IR)序列、
梯度回波(GE)序列、受激回波序列
RF激发脉冲结束后FID信号跳变,带来采集记录诸多不便
二、自旋回波(SE)脉冲序列
2.1 自旋回波脉冲序列
选层梯度Gs、读出梯度(频率编码梯度)Gr、相位编码梯度Gp(可编程步进值)、回波时间TE、重复时间TR
假定磁场是不均匀的,90°脉冲后,经过一定的Ti时间,横向磁化矢量发生散相;此时施加一180°重聚脉冲以反转横向磁化矢量的相位,再经过同样的Ti时间,可实现 相位重聚
回波时间TE(Time of Echo)指射频脉冲与相应的回波之间的时间间隔。TE决定回波的采集时间,也决定组织宏观横向磁化矢量Mxy的衰减程度。
基本单层面自旋回波脉冲序列
在90°RF脉冲后就已经出现信号峰,但所需的是回波,即回旋信号峰
故,使用180°重聚相脉冲以得到回波。
Gs第一块的上半部分容易理解,用于使不同层的横向磁化强度有不同的进动频率,进而实现选层;下半部分使90°RF脉冲过后倾倒的FID信号尽快衰减到零以缩短回波时间TE,进而提高成像速度。
Gs第二块用于补偿在90°脉冲后的散相,使得回波峰值取得最大值。
第一块与第二块读出梯度叶协同完成频率编码。
基本单层面自旋回波脉冲序列
2.2 信噪比、差噪比
信噪比,顾名思义,为信号噪声比
根据所用回波序列的不同,信噪比、差噪比的定义也不一样。
信噪比SNR:与激发次数、取样点数、编码步数等有关,用于衡量获得信号的好坏。
为获得更为优质的图像,可通过但不限于 减小取样层面厚度、 减小像素大小(减小视野或增大矩阵) 等手段提高空间分辨率,但它们收到信噪比的限制;也可增加激发次数,但这意味着扫描时间的延长或更大的场强B0。
差噪比CNR:信号与干扰和噪声比,为接收到的有用信号的强度和接收到的干扰信号的强度比值,用于评估MRI检测低对比度病灶的能力。
2.3 采样
频率编码Kx,相位编码Ky,列数(取样点数)Nx,行数(相位编码步数)Ny。
数据矩阵和K-空间
傅里叶行(view):采一个回波填充数据矩阵的一行,傅里叶行之间的时间间隔为重复时间TR。
SE回波的MRI过程
混叠现象及过采样
数据的采集是一个填充矩阵的过程,而所采集的每个点(这里叫矩阵元)时采样频率需满足奈奎斯特定理,考虑到由于梯度场和RF体线圈的B1场覆盖了整个物体或截面,物体中实际的最高拉莫尔频率大于信号最高频率,须保证采样频率大于两倍信号最高频率。若等于甚至低于两倍的奈奎斯特频率,采样数据就会出现虚假的低频部分,此现象为 混叠。
数据矩阵和K-空间
为解决混叠问题一般采用过采样。顾名思义,即 按物体最高拉莫尔频率来设定取样频率为其二倍,在图像重建后把多取的那部分图像舍去。
混叠现象及过采样
由原始数据信号采样填充后得到的K空间数据矩阵。这里的采集也有必要说明。
因受T2弛豫影响,采集时先采中央再取两边以减弱T2影响。采集傅里叶行的次序,顺序采集层面可能会发生 层面干涉,取样层面的厚度也有一定的要求,这些暂且搁置。对K空间进行数据重建,其各值用灰度值显示便是右下图,在经过傅里叶变化等操作可得重建的图像。
SE回波的MRI过程
2.4 改进的自旋回波变型序列
标准双回波或多回波序列时序图
快自旋回波(fSE)序列时序图
快恢复快SE序列
多层面SE扫描(MSE)
增加激励次数,进一步提高信噪比,可用多个相位编码步相同的180°脉冲以得到多个自旋回波。回波数量增加,相当于采集同相位的数据增加,自然能提高信噪比。但不是无限增加的,回波会因为T2弛豫而产生衰减,这也造成了之后的回波逐渐变小的情况。
权重的概念相对较为清楚,加权则是突出表示部分数据的意思。以双回波序列为例,进一步对其分析。第一个回波的TE短,可得自旋密度成像;而第二个回波的回波时间较长,可近似为T2,便可得T2加权像。
标准双回波或多回波序列时序图
同样的,一次RF激发施加多个180°脉冲,以产生多个回波。
每次施加的梯度编码步Gp不同,故多个回波对应多个不同的梯度编码步;而在每个回波采集完后施加一个与Gp等大方向的回绕梯度,消除了相位编码梯度的不同而造成的相位渐渐不再聚合的影响。提高了信噪比,也很大程度地缩短了扫描时间。
快自旋回波(fSE)序列时序图