第七节磁共振信号的空间定位

第七节磁共振信号的空间定位在前面的章节我们已经知道，对于二维MR成像来说，接收线圈采集的MR信号含有全层的信息，我们必须对MR信号进行空间定位编码，让采集到MR信号中带有空间定位信息，通过数学转换解码，就可以将MR信号分配到各个像素中。MR信号的空间定位包括层面和层厚的选择、频率编码、相位编码。MR信号的空间定位编码是由梯度场来完成的，我们将以头颅横断面为例介绍MR信号的空间定位。一、层面的选择和层厚的决定我们通过控制层面选择梯度场和射频脉冲来完成MR图像层面和层厚的选择。以1.5T磁共振仪为例，在1.5T的场强下，质子的进动频率约为64MHZ。图15所示为人头正面像，我们将进行横断面扫描，要进行层面的选择，必须在上下方向（即Z轴方向）上施加一个梯度场，Z轴梯度线圈中点位置（G0）由于磁场强度仍为1.5T，因而该水平质子的进动频率保持在64MHZ。从G0向头侧磁场强度逐渐降低，因而质子进动频率逐渐变慢，头顶部组织内质子的进动频率最低；从G0向足侧磁场强度逐渐增高，则质子进动频率逐渐加快，下颌部最高。单位长度内质子进动频率差别的大小与施加的梯度场强度有关，施加梯度场强越大，单位长度内质子进动频率的差别越大。如果我们施加的梯度场造成质子进动频率的差别为1MHZ/cm，而我们所用的射频脉冲的频率为63.564.5MHZ，那么被激发的层面的位置（层中心）就在Z轴梯度线圈中点（G0），层厚为1cm，即层厚范围包括了Z轴梯度线圈中点上下各0.5cm的范围（图15a）。abcd图15层面和层厚选择示意图图中横实线表示层中心位置；两条虚横线之间距离表示层厚。图a示梯度场强造成的质子进动频率差别1MHZ/cm，射频脉冲的频率范围为63.4-64.5MHZ，则层中心在梯度场中点（G0），层厚1cm；图b示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围为64.5-65.5MHZ，则层厚保持1cm，射频脉冲63.5-64.5MHZG0射频脉冲64.5-65.5MHZG0射频脉冲63.75-64.25MHZG0射频脉冲63.5-64.5MHZG0层中心向足侧移1cm；图c示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围改为63.75-64.25MHZ，则层中心位置不变，层厚变成0.5cm；图d示射频脉冲的频率范围保持不变，梯度场强增加一倍，即造成的质子进动频率差别为2MHZ/cm，则层中心保持不变，层厚变成0.5cm。我们对射频脉冲的频率及带宽和Z轴梯度场作不同的调整，层面和层厚将发生如下变化：（1）梯度场不变，射频脉冲的频率改成64.565.5MHZ，则层厚保持不变，层面中心向足侧移动1cm（图15b）；（2）梯度场不变，射频脉冲的频率范围（带宽）变成63.7564.25MHZ，则层面中心不变，层厚变薄为0.5cm（图15c）；（3）射频脉冲仍保持63.564.5MHZ，梯度场强增加使质子进动频率差达到2MHZ/cm，则层面中心保持不变，层厚变薄为0.5cm（图15d）。因此在检查部位与层面选择梯度线圈的相对位置保持不变的情况下，层面和层厚受梯度场和射频脉冲影响的规律如下：（1）梯度场不变，射频脉冲的频率增加，则层面的位置向梯度场高的一侧移动；（2）梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽，层厚增厚；（3）射频脉冲的带宽不变，梯度场的场强增加，层厚变薄。二、频率编码前面的层面选择仅仅确定了被激发和采集的层面和层厚，可这时采集的MR信号包含有全层的信息，我们必须把采集的MR信号分配层面内不同的空间位置上（即各个像素中），才能显示层面内的不同结构。因此在完成了层面选择后我们还必须进行层面内的空间定位编码。层面内的空间定位编码包括频率编码和相位编码。我们先介绍频率编码。在介绍频率编码前，让我们先复习一下太阳光的特性。无色的太阳光经一块三棱镜的折射后可以分解出红、橙、黄、绿、青、兰、紫等七种颜色的光线，这七种颜色的光线代表7种不同的频率，红色频率最低，紫色频率最高。其实三棱镜之所以能从无色的太阳光中分辨出七种有色的光线，是因为无色的太阳光中本身就带有这七种频率的光线，只是各种频率的光线混杂在一起无法分辨而已，而通过三棱镜的折射则能分辨这七种不同频率的光线。其实频率编码的原理与此类似，傅里叶变换可以区分出不同频率的MR信号，但首先必须让来自不同位置的MR信号包含有不同的频率，采集到混杂有不同频率的MR信号后，通过傅里叶变换才能解码出不同频率的MR信号，而不同的频率代表不同的位置。以头颅的横断面为例，一般以前后方向为频率编码方向，我们在MR信号采集的时刻在前后方向上施加一个前高后低的梯度场（图16a），这样在前后方向上质子所感受到的磁场强度就不同，其进动频率即存在差别，前部的质子进动频率高，而后部的质子进动频率低（图16b）。这样采集的MR信号中就包含有不同频率的空间信息，经傅里叶转换后不同频率的MR信号就被区分出来，分配到前后方向各自的位置上。右左后前G064MHZ64MHZ64MHZ65MHZ65MHZ65MHZ63MHZ63MHZ63MHZ前后G0ab图16频率编码示意图图a示颅脑一横断面，施加了一前高后低的梯度场，G0代表梯度场中点；图b仅以三行三列9个体素作为示意，中间一行由于位于梯度场中点（G0），质子进动频率保持64MHZ，最前面一行由于磁场强度升高，质子进动频率加快到65MHZ，最后面一行由于磁场强度降低，质子进动频率减慢为63MHZ。MR信号采集后经傅里叶转换即可解码出不同频率的MR信号，而不同频率代表前后方向上的不同位置。需要指出的是图中为了说明的简便起见，用63MHZ、64MHZ、65MHZ来代表频率编码方向上3个不同体素内质子的进动频率，实际上真正的频率编码时，体素间的质子进动频率差别不可能有这么大。三、相位编码在前后方向上施加了频率编码梯度场后，经傅里叶转换的MR信号仅完成了前后方向的空间信息编码，而左右方向上的空间定位编码并未能实现（图17a）。我们必须对左右方向的空间信息进行相位编码，才能完成层面内的二维定位（图17b）。和频率编码一样，相位编码也使用梯度场，但与频率编码梯度场不同的是：（1）梯度场施加方向不同，应该施加在频率编码的垂直方向上，还以颅脑横断面为例，如果频率编码梯度场施加在前后方向，则相位编码梯度场施加在左右方向上（图17b）。（2）施加的时刻不同，频率编码必须在MR信号采集的同时施加，而相位编码梯度场必须在信号采集前施加，在施加相位梯度场期间，相位编码方向上（以左右方向为例）的质子将感受到不同强度的磁场（如左高右低），因而将出现左快右慢的进动频率，由于进动频率的不同，左右方向各个位置上的质子进动的相位将出现差别（图17b）。这时关闭左右方向的相位编码梯度场，左右方向的磁场强度的差别消失，各个位置的质子进动频率也恢复一致，但前面曾施加过一段时间梯度场造成的质子进动的相位差别被保留下来（图17c），这时采集到的MR信号中就带有相位编码信息，通过傅里叶转换可区分出不同相位的MR信号，而不同的相位则代表左右方向上的不同位置。abc图17相位编码示意图仍以图16的颅脑横断面为例，但仅以图16中的进动频率为64MHZ的一行体素作为相位编码的示意。图a示在施加相位编码梯度前，左右方向上各体素中质子的进动频率均为64MHZ，相位也一致（空箭所示）；图b示在左右方向上施加一个左高右低的梯度场，位于相位编码梯度场中点（G0）的体素内的质子进动频率仍为64MHZ，而最左边体素内的质子进动频率增加到65MHZ，最右边体素内的质子进动频率减低到63MHZ。这个梯度场施加一段时间后，左右方向上各体素内的质子由于进动频率不同出现相位差异（空箭所示）。图c示在MR信号采集前，把相位编码梯度场关闭，左右方向上体素内的质子进动频率又回到64MHZ，即左右方向的进动频率差别消失，但由于相位编码梯度场造成的左右方向上各体素内质子的相位差别（空箭所示）被保留下来。MR信号被采集后经傅里叶转换，就可以前后64MHZ64MHZ64MHZ右左G0前后右左63MHZ64MHZ65MHZ前后右左64MHZ64MHZ64MHZ解码出左右方向上的相位差别。由于傅里叶转换的特性，它区分不同频率的MR信号能力很强，但区分MR信号相位差别的能力较差，只能区分相位相差180的MR信号。所以MR信号的相位编码需要多次重复进行，如果是矩阵为256×256的MR图像需进行256次相位编码方能完成，也就是说需要用不同的相位编码梯度场重复采集256个MR信号，不同的相位编码梯度场得到的MR信号也称相位编码线，填充在K空间相位编码方向上的不同位置上（图18a），经过傅里叶转换，才能重建出空间分辨力合乎要求的图像。K空间的基本概念和特点请参阅下一节。以刚才的左右方向为相位编码的颅脑横断面为例，这256种不同的相位编码梯度场一般情况下是先施加强度最大的梯度场，方向为一侧高另一侧低（如左高右低），保持梯度场方向不变，梯度场强度逐渐变小一直到零，然后改变梯度场方向（即改成左低右高），梯度场强度则从小开始，逐渐变大，其梯度场强度变化的步级与刚才左高右低时一样（图18b）。四、三维采集的空间编码三维MRI的空间定位与二维MRI有所不同。三维MRI的激发和采集不是针对层面，而是针对整个成像容积进行的。由于脉冲的激发和采集是针对整个容积范围进行的，为了获得薄层的图像，必须在层面方向上进行空间定位编码。三维采集技术的层面方向空间编码也采用相位编码，一个容积需要分为几层，就必需进行几个步级的相位编码。如图像的矩阵为128×128，容积内分为20层，则层面内的相位编码步级为128级，每一级又需要进行20个步级的层面方向的相位编码，实际上总的相位编码步级为2560（128×20）。