杨正汉-MRI快速采集技术

磁共振快速、超快速采集技术卫生部北京医院放射科北京大学第五临床医院杨正汉MRI基本原理快速采集技术MRI脉冲序列概要磁共振快速采集技术基础–复习K空间和SE序列–快速成像的理由–快速成像的硬件要求–快速成像相关的基本概念–优质快速图像的要求磁共振快速采集技术–……第一部分磁共振快速采集技术基础1、REVIEWK空间SE序列复习：K空间及其特性•K空间为MR图像原始数据的填充储存空间格式，填充后的资料经傅立叶转换，重建出MR图像。SE序列•常规K空间的填充形式（对称、循序填充）K空间的特性矩阵为256*256的图像需要采集256条相位编码线来完成K空间的填充，K空间的数据点阵与图像的点阵不是一一对应的,K空间中每一个点具有全层信息K空间的特性K空间具有对称性–相位编码方向的镜像对称–频率编码方向的对称K空间特性填充K空间中央区域的相位编码线决定图像的对比填充K空间周边区域的相位编码线决定图像的解剖细节激发编码信号采集K空间填充付立叶转换图像显示•复习：自旋回波（spinecho，SE）序列激发脉冲层面选择梯度频率编码梯度相位编码梯度MR信号SE序列的优点1、MRI经典序列，研究比较透彻2、图像质量稳定3、信号比较单纯，信号变化容易解释4、组织对比良好SE序列在神经系统、骨关节等系统疾病的检查中显示出很大的优越性。SE序列的临床应用图片腕关节高分辨SE－T1WI正常膝关节SE序列图片颈椎间盘突出左枕叶脑脓肿T2加权像T1加权像T1加权增强扫描90180回波回波90180TETRTE：回波时间TR：重复时间•SE序列结构SE序列一次激发只能采集一个回波用SE序列采集一幅矩阵为256×256的图像需要重复激发256次，填充K空间256条相位编码线一幅SE－T2WI图像采集所需要的时间矩阵（Matrix）256×256重复采集次数（NEX）＝2TR＝3000ms，TE＝80ms采集时间（TA）＝TR×Matrix(phase-encoding)×NEXTA=3秒×256×2＝1536秒＝25分36秒1、SE序列信号采集时间长，T1WI常需3~5分钟，T2WI更为耗时，常需十多分钟2、呼吸、血管搏动及肠道蠕动等生理运动可造成运动伪影，严重影响腹部MR图像质量；3、呼吸造成的运动相关部分容积效应会影响病灶的对比。SE序列的缺点运动相关的部分容积效应部分容积效应第一时相第二时相MRI采集的运动相关部分容积效应由于运动相关部分容积效应造成组织对比降低2、为什么要加快MR的信号采集速度1、SE序列实在太慢，特别是T2WI2、动态增强扫描的需要3、运动器官成像的需要（伪影）4、灌注成像的需要（时间分辨）5、功能成像的需要（时间分辨）6、经济效应的需要近年来，由于硬件、软件的进步，MRI的信号采集速度越来越快，快速及超快速序列不断涌现，已逐渐取代常规的SE序列，MRI在形态学和功能检查中扮演着越来越重要的角色。“快”已经成为当今MRI的主题FAST…FAST…FAST…FAST…FAST3、快速MRI的硬件要求要加快MRI信号采集速度并保证图像一定的信噪比（signaltonoiseratio，SNR）及空间分辩，硬件的发展至关重要，其中最重要的是：–主磁体场强及其均匀度–梯度线圈–脉冲线圈主磁场主磁场的场强–MRI的SNR与主磁场场强的成正比–如果其他所有成像参数相同，1.5T磁共振采集1次所得图像的SNR，用0.5T的磁共振需要采集9次才能获得（扫描时间9倍）–临床应用型的MRI仪场强已由0.15T以下上升到1.0T-3.0T•MR按主磁场的场强分类–MRI图像信噪比与主磁场场强成正比–低场:小于0.5T–中场：0.5T－1.0T–高场:1.0T－2.0T（1.0T、1.5T、2.0T）–超高场强：大于2.0T（3.0T、4.7T、7T）主磁场的均匀度–磁场均匀度的提高：1、图像质量提高；2、可进行大视野扫描，有利于偏中心部位的检查–50厘米球表面均匀度可控制在3PPM以下，45厘米球体均匀度可控制在1PPM以下梯度线圈空间定位、采集信号等作用梯度线圈性能的提高磁共振成速度加快没有梯度磁场的进步就没有快速、超快速成像技术层面选择方向梯度线圈性能提高频率和相位编码方向梯度线圈性能提高扫描层面更薄MR信号采集速度更快•梯度线圈性能指标–梯度场强25/60mT/m–切换率150/233mT/m.s有效梯度场长度50cm梯度两端磁场强度差值梯度场中点梯度场强（mT/M）＝梯度场两端的磁场强度差值/梯度场的长度1000mT1010mT990mT梯度场强＝（1010mT-990mT）/0.5M=40mT/M1000mT梯度场强爬升时间切换率＝梯度场预定强度/爬升时间切换率越高，所需的爬升时间越短，成像速度越快。梯度场强爬升时间梯度场强越高，所需要的作用时间越短，成像速度越快作用时间梯度场强作用时间脉冲线圈脉冲线圈的作用如同无线电波的天线–激发人体产生共振（广播电台的发射天线）–采集MR信号（收音机的天线）接收线圈与MRI图像SNR密切相关接收线圈离身体越近，所接收到的信号越强线圈内体积越小，所接收到的噪声越低表面线圈脉冲线圈特别是接收线圈的进步显著提高了MR图像的信噪比。表面接收线圈至今已发展到第四代。第一代为线性极化表面线圈第二代为圆形极化表面线圈第三代为圆形极化相控阵线圈第四代为一体化全景相控阵线圈相控阵线圈用相控阵线圈采集的MR图像的SNR明显高于用体线圈采集的MR图像体线圈采集SNR=11.7相控阵线圈采集SNR=26.34、与快速成像相关的MRI基本概念矩阵、FOV、空间分辨率图像信噪比（signaltonoiseratio,SNR)对比噪声比（contrasttonoiseratio,CNR)采集次数（平均次数）激发角度K空间及其填充矩阵Matrix矩阵：图像X轴、Y轴方向上的像素数目1010Matrix＝10×10磁共振的矩阵可为64×64－－1024×1024磁共振最常用的矩阵为256×256磁共振最常用的高分辨矩阵为512×512视野FOV（fieldofview）320mm320mm视野：X轴、Y轴方向上实际成像区域的大小FOV＝320mm×320mmMRI的FOV根据检查部位、序列、线圈及场强可为25mm－－530mmFOV2.5cmFOV530mm×2025mm空间分辨率Resolution空间分辨：单个体素在X轴、Y轴、Z轴的大小层面方向的空间分辨＝层厚频率编码方向的空间分辨＝频率方向的FOV除以频率方向的Matrix相位编码方向的空间分辨＝相位编码方向的FOV除以相位方向的Matrix空间分辨率30mm10mm30mm10mm空间分辨＝10mm×10mm×8mm层厚＝8mm根据MR的场强、线圈、序列及检查部位的不同，可选择不同的空间分辨率MRI的层厚常为：1－10mmMRI层面内的空间分辨常为：0.5mm×0.5mm－－2mm×2mm–FOV不变：矩阵越大，XY平面的空间分辨率越高–矩阵不变：FOV越大，XY平面的空间分辨率越低–层厚越厚：层面选择方向的空间分辨率越低FOV、Matrix、层厚与Resolution的关系10mm×10mm×8mm5mm×5mm×8mm–矩阵不变：FOV越大，XY平面的空间分辨率越低20cm40cm30mm1030mm10mm10mm×10mm×8mm301030mm105mm×5mm×8mm–FOV不变：矩阵越大，XY平面的空间分辨率越高矩阵、FOV、空间分辨率图像信噪比（signaltonoiseratio,SNR)对比噪声比（contrasttonoiseratio,CNR)采集次数（平均次数）激发角度K空间及其填充与快速成像相关的MRI基本概念信噪比，SNRSignaltoNoiseRatio图像质量的最重要、最基本的指标良好的SNR是MRI清楚解剖结构、病变及其特性的基础高质量的MR图像必具有较高的SNR高SNR意味着较高的有效信号强度和较低的噪声信号SNR=SItissue/SDbackground影响SNR的主要因素主磁场场强（正比关系）表面线圈空间分辨－－Voxel体积大小（正比）–层厚、Matrix、FOV采集次数（平方根正比）序列及其参数矩阵、FOV、空间分辨率图像信噪比（signaltonoiseratio,SNR)对比噪声比（contrasttonoiseratio,CNR)采集次数（平均次数）激发角度K空间及其填充与快速成像相关的MRI基本概念对比噪声比（CNR)在图像拥有一定SNR的条件下，足够的CNR是检出病变（特别是实质脏器内病变）的根本保证。T1WI：CNR反映图像的T1对比T2WI：CNR反映图像的T2对比CNR=SIlesion-SItissue/SDbackgroundCNR的检测123123CNR＝（SI1－SI2）/SD3同一个肝脏病变用几个不同的序列可得到不同的CNR，CNR高的序列有利于病变的检出影响CNR的主要因素是否具有足够的SNR序列扫描参数病变与正常组织的差异伪影空间分辨是否使用对比剂矩阵、FOV、空间分辨率图像信噪比（signaltonoiseratio,SNR)对比噪声比（contrasttonoiseratio,CNR)采集次数（平均次数）激发角度K空间及其填充与快速成像相关的MRI基本概念采集次数其他条件相同的情况下采集次数增加1倍–MR图像SNR为原来的1.41倍–MR信号采集时间为原来的2倍–图像的伪影减少矩阵、FOV、空间分辨率图像信噪比（signaltonoiseratio,SNR)对比噪声比（contrasttonoiseratio,CNR)采集次数（平均次数）激发角度K空间及其填充与快速成像相关的MRI基本概念激发角度脉冲激发后体素内的宏观磁化矢量偏转的角度–常规SE序列：90度–翻转恢复序列：180度–梯度回波序列：小于90度平衡状态90度激发180度激发小角度激发射频脉冲继发后宏观磁化矢量发生偏转，偏转角为磁共振现象是靠射频线圈发射无线电波（射频脉冲）激发人体内的氢质子来引发的，这种射频脉冲的频率必须与氢质子进动频率相同，低能的质子获能进入高能状态微观效应射频脉冲激发后的效应是使宏观磁化矢量发生偏转射频脉冲的强度和持续时间决定射频脉冲激发后的效应低能量中等能量高能量宏观效应90度脉冲继发后产生的宏观和微观效应低能的超出部分的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零使质子处于同相位，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量•激发角度越大，纵向弛豫所需时间越长•激发角度越大，T1成分越大，T1对比越大•90度脉冲能产生最大的横向磁化矢量•小角度激发能产生相对较高的横向磁化矢量效能激发角度与纵向弛豫•激发角度越大，纵向弛豫所需时间越长•激发角度越大，T1成分越大，T1对比越大•90度脉冲能产生最大的横向磁化矢量小角度激发能产生相对较高的横向磁化矢量效能5、优质快速MR图像的要求足够的信噪比高空间分辨率组织对比良好尽可能少的伪影（？）尽量短的采集时间第二部分磁共振快速采集技术（如何进行MRI信号快速采集？）影响MRI信号采集时间的因素二维图像的采集时间Ts=TR×Ny×NEX三维图像的采集时间Ts=TR×Ny×Nz×NEXSE序列为何费时90度激发后，T1驰豫需要很长时间，因而必须采用很长的TR一次激发后只采集一个回波为减少运动伪影往往需要进行多次信号采集利用180度射频脉冲采集回波需时较长，通常为10-15毫秒一幅SE－T2WI图像采集所需要的时间矩阵（Matrix）256×256重复采集次数（NEX）＝2TR＝3000ms，TE＝80ms采集时间（TA）＝TR×Matrix(phase-encoding)×NEXTA=3秒×256×2＝1536秒＝25分36秒二维图像的采集时间Ts=TR