关于磁共振成像的空间定位-(2)

关于磁共振成像的空间定位对于二维成像来说，接收线圈所采集的每一个信号，都代表了所扫描的部位中全部层面的组织信息；同样的，在三维成像中，每一个信号都代表了整个采集容积的组织信息。因此，我们要进行空间定位区分来自扫描层面或容积中不同位置的信息，那么我们如何来进行空间定位呢？空间定位的依据有是什么呢？磁共振依靠梯度磁场进行空间定位。实际上我们地球磁场也是存在梯度的，因此我们可以根据地磁实现地球上某点的定位。地磁呈梯度分布，已知地磁中两极的磁场场强最高，为0.7G，赤道处的场强最低，为0.3G，从两极到赤道地磁场强呈递减分布，如此可以说，一定的磁场强度可以代表一定的位置，便可以进行地球上各点位置的确定，尤其是纬度的确定。当然，依靠地磁进行位置定位在实际操作中要复杂的多，事实上，地球并非平滑的规则球体，另外某一地的地形、地貌乃至地球上地质活动或生物活动都会在一定程度上影响地磁场强，但大体原理就是利用地磁本身的不均匀性，由于存在有规律的梯度差，所以可以特定的场强可以代表特定的场强，可以说，梯度磁场中每一个不同的磁场强度代表了该磁场中不同点的位置信息。磁共振的定位也是利用梯度磁场来实现的。磁共振仪利用三套梯度线圈来产生梯度磁场，制造我们可控的磁场不均匀性。在梯度磁场的作用下，来自不同位置的磁共振信号带有不同的空间定位信息，再通过复杂的数学转换解码，将转码后的信号分配到各个像素中，而形成可用于诊断的医学磁共振影像。数学转换解码的过程，是复杂的数学知识，作为医师不需要进行深入了解，是完全由程序化的电脑计算完成的，而最终转码完成的MR信号，就是图像信号。至于像素分配的过程，有书上说，当磁共振信号经过最后一步转换，成为色彩明暗不同的图像信号，就和数码相机成像的原理相同了，关于这一点，我专门问过我学摄影的朋友，对于相机本身，它并不能识别和储存图像信号，它所能识别的只能是数字信号，而在拍照的过程中都要经过两次信息转码，即先把取景的图像信号转成数字信号，再将数字信号提取转码，还原成图像信号。即使MR的转码过程要比数码相机复杂的多，但不论你使用何种机型，选择何种扫描序列，当采集信号经过复杂的数学转码、傅里叶转换、K空间排序和填充之后，都要进行同数码相机一样由数字信号到图像信号的转换，而转换成图像信号后，这些信号也仅仅是一个个无序的信号点，并不能直观地被人识别，而像素，相当于空间或平面中的网格，将这些有色彩明暗差别的图像信号点有规律和次序地放置到对应得网格中，就获得一副完整的、能直观理解的MR影像。MR的空间定位包括以下几个方面：层面的选择、层厚的选择、频率编码还有相位编码。一、层面的选择和层厚的决定层面的选择和层厚的选择在MR的工作过程中是同时进行的，因此我们放到一起进行。我们知道，要想使组织中的氢质子发生磁共振现象，需要对组织发射一个射频脉冲进行激发，而该脉冲的频率要与所激发质子的进动频率相同。理论上讲，如果磁场处于绝对均匀的状态，那其中质子的进动频率也都是一致的，而理想化的射频脉冲的频率也是单一的，并且与质子的进动频率完全一致。但事实上，完全均匀的磁场几乎是不存在的，而我们所发射的射频脉冲也并非是单一频率脉冲，而总是包含有一定范围的频率，不过，这种脉冲的中心频率以及频率范围是可以人为控制的。我们利用这种可控的磁场不均匀性即梯度磁场，和频率范围可控的射频脉冲，就可以实现二维MR图像的层面及层厚的选择。例如，在1.5T场强的磁场下，质子的进动频率约为64MHz，如果我们要进行横断面的层面及层厚选择，就需要在组织长轴方向及Z轴方向施加梯度场。我们之前说过，在梯度场下，磁化矢量轴的中点的场强总是等于主磁场场强，假设我们施加的梯度场是头侧低足侧高，那么在Z轴的中点，其场强还是1.5T，那么中点处的质子进洞频率依然是64MHz，由中点到头侧的场强逐渐递减，因此质子的进洞频率也逐渐减慢，越来越小于64MHz；同理，由中点到足侧的场强逐渐递增，因此质子的进动频率也逐渐加快，越来越大于64MHz。例如对于头部来说，头顶部的组织质子进洞频率最低，下颌部组织的质子进动频率最高。而这种质子进动频率的差别大小与梯度场强成正比，梯度场越大，Z轴方向上磁场的差别越大，Z轴上各处质子的进动频率差别也越大。假设我们施加的梯度场所造成的质子进动频率的差别为1MHz/cm，我们所用的射频脉冲的频率范围为63.5~64.5MHz，脉冲的中心频率正好等于Z轴中心点质子的进洞频率64MHz，这就是我们所激发的层面中心，即我们选择的层面就是Z轴中心所在的平面，而由于我们的射频脉冲不只包含64MHz这一个频率，那所有进动频率为63.5~64.5MHz的质子都将被激发，进动频率最快质子和最慢质子的频率差为64.5-63.5=1MHz，又因为我们所施加的梯度场中，质子的进洞频率差为1MHz/cm，因此我们所决定层厚为1cm，而我们所选择层厚中最外层的层面就是Z轴上质子进洞频率分别等于64.5MHz和等于63.5MHz的所在平面，即位于Z轴中点两侧分别0.5cm的层面。在物理学中，将射频脉冲的中心频率称为脉冲的频率，将所包含的频率范围称为带宽，例如上文中的脉冲带宽为1cm。如果其他条件都与上文保持不变，我们对Z轴上施加的梯度场、射频脉冲的频率和带宽进行调整，所选择的层面和层厚也会发生如下规律的变化：1】梯度场不变，射频脉冲的频率提高1MHz，则层面中心将向足侧移动1cm，层厚依然是1cm。2】梯度场不变，脉冲频率不变，带宽变为0.5厘米，则层面中心不变，层厚变薄为0.5cm。3】脉冲的频率和带宽都不变，梯度场增强，使质子进动频率差达到2MHz/cm，则层面中心不变，层厚变薄，为0.5cm，这是因为带宽还是1MHz，而由于质子频率的差达到了2MHz/cm，即每0.5cm就会满足带宽所包括1MHz的进动频率差，所以层厚变为了0.5cm，而无论多高的梯度场下，中点场强永远等于主磁场强度，因此Z轴中点处的质子频率永远保持不变，因此层面中心不会变。因此我得出以下结论：在检查部位在梯度场中位置保持不变的情况下，层面和层厚收梯度场强、射频脉冲的影响有如下规律：1】梯度场不变，射频脉冲的频率增加，层面位置会沿z轴向场高的一侧移动。2】梯度场不变，射频带宽加宽，层面中心不变，层厚会增加。3】脉冲的中心频率及带宽保持不变，梯度场强增加，中心层面不变，层厚变薄。同理，除了在Z轴上施加梯度场从而进行横断面扫描的层面层厚选择，实际上MR仪可以利用在X\Y\Z三个轴上施加梯度场及进行三个轴有序的组合实现矢状面、冠状面、斜横断面、斜矢状面、斜冠状面乃至空间中任意平面的层面、层厚选择。二、频率编码开头我们介绍过，MR采集到的每一个磁共振信号，都包含有全层或全容积内的所有信息，那么即使我们进行了层面和层厚选择，还是无法识别该层面内的各个位置的不同信息，因此，我们必须把采集到的信号分配到层面内不同的空间位置上，即分配到像素中，才能区分同层面内的不同位置。这就要求我们进行针对以选定层面内的空间定位。空间定位编码包括频率编码和相位编码。首先，我们介绍频率编码。磁共振频率编码的原理与三菱镜分解阳光的原理相似，我们先来复习一下。白色的太阳光通过三菱镜，会被分解成红橙黄绿青蓝紫七种颜色的光，其实不止其中，这其中颜色在人类的可见光谱中，在红色光谱之外的不可见光称为红外线，紫色光谱外的不可见光称为紫外线，太阳光之所以会被分解，是因为太阳光中本就包含这些光线，我们知道光的本质是一种电磁波，具有一定的频率，可见光中红色的光频率最低，紫色的光频率最高，红外线比红光的频率更低，紫外线比紫色光的频率更高，都不可被人眼识别，频率的差别正是我们可以区别这些光信号的原因，同理，磁共振的频率编码可以利用不同频率来识别不同的信号，频率编码的对磁共振的作用相当三菱镜之于太阳光。当然，我们要通过频率编码来区分层面中的不同MR信号，首先要使层面中不同位置中的MR有不同的频率。我们还是以横断面的扫描为例，一般以前后方向为频率编码方向，我们在信号采集的时刻，在前后方向上施加一个前高后低的梯度场，这样在前后方向上，质子所感受到的磁场强度就不同，质子的进动频率就会产生差别，即越近前面的质子进动频率越高，越近后面的进动频率越低，这样按照不同频率代表不同位置信息的原理，同层面采集到的信号在前后方向上就会有所不同，从而在进行傅里叶转换解码后的MR信号在该层面前后方向上得以区分出来，可以被分配到前后方向上特定的位置上。需要指出的是，频率编码的梯度场必须在磁共振信号采集的时刻同时施加，这样所采集的信号才会有频率编码信息。三、相位编码在一个层面上我们进行了频率编码，那经过傅里叶转换的MR信号仅仅完成了前后方向上的空间信息编码，也就是说，我们在此层面上仅仅能区别前后方向上信号的区别，而左右方向上必须也进行空间定位编码，才能完成层面内的信号定位。那么，沿用之前的例子，在横断面扫描成像中，如果我们在前后方向上施加频率编码，完成了此层面中前后方向上的信号空间定位，在左右方向上信号的位置信息依然是混乱的，那么我们是否也可以在左右方向上施加频率编码来实现左右方向的空间定位呢？回答是否定的，如果在前后和左右方向都进行同样的空间定位编码，那么MR信号在经过傅里叶转换后就不能区分出事左右方向还是前后方向的频率差别，那么我们就需要在左右方向即与频率编码垂直方向上施加一个不同的空间定位编码，即相位编码。相位编码要比频率编码复杂一些，我们知道质子有自己的进动频率，频率就是利用梯度场造成的质子进动频率进行空间定位，而在质子的进动运动中，每一个质子的横向磁化矢量都会时刻处在一定的相位中，相位编码就是利用相位的梯度场造成的相位不同来进行空间定位的。相位编码的梯度场与频率编码的不同之处是：1】施加方向不同，相位编码的梯度场施加方向是同层面中频率编码的垂直方向。这也决定了在实际使用中频率编码和相位编码的方向是可以互相切换的。2】施加的时刻不同，前文提到频率编码要在信号采集的时刻同时施加，而相位编码要在信号采集之前施加，而且在信号采集的时刻，相位编码的梯度场必须是已经关闭的。3】在一个层面中，每个MR信号的频率编码处在同一大小和方向的频率编码梯度场下，而每个MR信号的相位编码梯度场的场强大小和（或）方向是不同的。还以横断面的扫描为例，我们在左右方向上施加一个左高右低的梯度场，这样在层面内左右方向场强将存在差别，和所有的梯度场一样，在梯度场中点的场强等于主磁场场强，该处的质子进动频率保持不变；越靠左边的场强越高，质子进动频率越快；越靠右边的场强越低，质子进洞频率越慢，因为进动频率不同，一段时间后左右方向上质子进动的相位也会不同，这时如果关闭梯度场，左右方向上的场强都会等于主磁场场强，如此左右方向上所有质子的进动频率也会恢复相等，但是左右方向上的质子进动相位已经产生的差别将会保留下来，而且由于现在的进动频率已经相等，因此这种相位差将会保持在一个水平，这时采集MR信号，在该层面左右方向上的信号就会包含有不同的相位信息，而不同的相位信息可以代表左右方向的不同位置信息，如此就完成了左右方向上的磁共振信号空间定位。然而，实际上，虽然原理是这样，但是MR仪本身的特点，它可以区分质子在频率上各个大小的差别，但是区别相位差别的能力却相对较弱，只能区别相位相差180°的信号。所以相位编码就不能如频率编码一样一步到位，而要进行多次重复采集。例如矩阵为256*256的图像就要进行256次相位编码。由于MR只能识别相位相差180°的信号，那么一次性施加梯度场使得左右方向各质子相位相差180°的话，第二个信号和第一个信号相差180°，第三个信号与第二个信号差180°，就会使第三个信号与第一个信号相位相同，因此一般在采集第一个信号的时候施加一个梯度场，使第二个信号与第一个信号相位差别180°，进行采集，采集第二个信号时要施加一个比之间的场强稍小的梯度场，使得第一个信号与第三个信号相差180°，以此类推，之后每次施加的梯度场对比之间的场强稍小，一直到使第一个信号与第二百五十六个信号相位相差180°也就是说要进行大小不同的梯度场造成256个180°的