GRE梯度回波序列的原理与临床

GRE梯度回波序列的原理与临床应用梯度回波的原理梯度回波是一种MR成像的回波信号，即其强度是从小变大，到峰值后又逐渐变小的。梯度回波是在射频脉冲激发后，在读出方向即频率编码方向上先施加一个梯度场，这个梯度场与主磁场叠加后将造成频率编码方向上的磁场强度差异，该方向上质子的进动频率也随之出现差异，从而加快了质子的失相位，组织的宏观横向磁化矢量很快衰减到零，我们把这一梯度场称为离相位梯度场。这时立刻在频率编码方向施加一个强度相同方向相反的梯度场，原来在离相位梯度场作用下进动频率慢的质子进动频率加快，原进动频率快的质子进动频率减慢，这样由于离相位梯度场造成的质子失相位将逐渐得到纠正，组织的宏观横向磁化矢量逐渐恢复，经过与离相位梯度场作用相同的时间后，因离相位梯度场引起的质子失相位得到纠正，组织的宏观横向磁化矢量逐渐恢复直到信号幅度的峰值，我们把这一梯度场称为聚相位梯度场；从此时间点后，在聚相位梯度场的继续作用下，质子又发生反方向的离相位，组织的宏观横向磁化矢量又开始衰减直至到零。这样产生一个信号幅度从零到大又从大到零的完整回波（图38a）。由于这种回波的产生是利用了梯度场的方向切换产生的，因此称为梯度回波（gradientrecalledecho，GRE）。梯度回波也称场回波（fieldecho，FE）。以头颅横断面且频率编码方向为左右为例。在射频脉冲激发后（α角），在频率编码方向上先施加一个右高左低的离相位梯度场（图a、b），这样就造成右边的质子进动频率明显高于左边的质子，加快了质子的失相位，因而组织的横向磁化矢量很快消失。这时依然在频率编码方向上施加强度相同，方向相反即右低左高的聚相位梯度场（图a、c），原来进动频率高的右边质子进动变慢，而原来进动频率低的左边质子进动变快，由于离相位梯度场造成的失相位逐渐得以纠正，组织宏观横向磁化矢量逐渐恢复（图a上升箭头），当聚相位梯度场作用时间达到与离相位梯度场一样时，离相位梯度场造成的失相位得以完全纠正，信号强度得到峰值，从此时刻后，在聚相位梯度场的继续作用下，质子又发生了失相位，组织宏观横向磁化矢量又开始出现衰减直至到零（图a下降箭头），从而形成一个完整的梯度回波。常规GRE序列的结构常规GRE序列结构图和其他所有序列一样，常规GRE序列也由射频脉冲、层面选择梯度、相位编码梯度、层面选择梯度（或称读出梯度）及MR信号等五部分构成。与SE序列相比，常规GRE序列有两个特点：（1）射频脉冲激发角度小于90°；（2）回波的产生依靠读出梯度场（即频率编码梯度场）切换。把小角度脉冲中点与回波中点的时间间隔定义为TE；把两次相邻的小角度脉冲中点的时间间隔定义为TR。梯度回波序列的特点1.采用小角度激发，加快成像速度2.反映的是T2*弛豫信息而非T2弛豫信息3.GRE序列的固有信噪比较低4.GRE序列对磁场的不均匀性敏感5.GRE序列中血流常呈现高信号在梯度回波中我们一般采用小于90°射频脉冲对成像组织进行激发即采用小角度激发。我们都知道射频脉冲施加后组织的宏观磁化矢量偏转的角度取决于射频脉冲的能量（由射频的强度和持续时间决定），小角度激发就是给组织施加的射频脉冲能量较小，造成组织的宏观磁化矢量偏转角度小于90°。在实际应用中，我们通常称小角度脉冲为α脉冲，α角常介于10°和90°之间。小角度激发有以下优点：（1）脉冲的能量较小，SAR值降低；（2）产生宏观横向磁化矢量的效率较高，与90°脉冲相比，30°脉冲的能量仅为90°脉冲的1/3左右，但产生的宏观横向磁化矢量达到90°脉冲的1/2左右（图40）3）小角度激发后，组织可以残留较大的纵向磁化矢量（图40），纵向弛豫所需要的时间明显缩短，因而可选用较短的TR，从而明显缩短TA，这就是梯度回波序列相对SE序列能够加快成像速度的原因。图a示平衡状态下，组织的宏观纵向磁化矢量为100％，没有宏观横向磁化矢量；图b示90°脉冲激发后，宏观磁化矢量偏转90°，即产生了一个最大的宏观横向磁化矢量（100%），纵向磁化矢量变为零；图c示30°脉冲激发后，宏观磁化矢量偏转30°，产生的横向磁化矢量为90°脉冲的50%，而纵向磁化矢量保留了平衡状态下的86.6%。在横向弛豫和SE序列中，射频脉冲激发将使组织产生宏观横向磁化矢量，射频脉冲结束后，组织的宏观横向磁化矢量逐渐衰减，衰减的原因是同相位进动的质子失相位，造成质子失相位的原因有两部分：（1）组织真正的T2弛豫；（2）主磁场不均匀。SE序列的180°脉冲可剔除主磁场不均匀造成的质子失相位从而获得真正的T2弛豫信息。GRE序列中施加的离相位梯度场将暂时性的增加磁场的不均匀性，从而加速了质子失相位，因此GRE序列中离相位梯度场施加后，质子的失相位是由三个原因引起的：（1）组织真正的T2弛豫；（2）主磁场不均匀；（3）离相位梯度场造成的磁场不均匀。GRE序列中的聚相位梯度场只能剔除离相位梯度场造成的质子失相位，但并不能剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，因而获得的只能是组织的T2*弛豫信息而不是T2弛豫信息（图41）。图示同一种组织的三种横向磁化矢量的衰减，粗曲线为T2弛豫曲线；细曲线为T2*弛豫曲线；虚曲线为施加离相位梯度场后的组织横向磁化矢量的衰减曲线。T2*弛豫受T2弛豫和主磁场不均匀两种因素影响，SE序列的180°复相脉冲可以剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，因而将得到的组织真正的T2弛豫信息（SE回波）。GRE序列施加的离相位梯度场将加快质子的失相位，图示虚曲线（T2*(GRE)）下降明显快于细曲线（T2*），而聚相位梯度场只能剔除离相位梯度场造成的质子失相位，因而得到的只能是T2*弛豫信息（GRE回波）。由于T2*弛豫明显快于T2弛豫，如图所示即便GRE序列选用的TE比SE序列的TE短，其回波幅度也常常不如SE序列，因此总的来说，GRE序列图像的固有信噪比低于SE序列。我们都知道射频脉冲关闭后宏观横向磁化矢量的衰减（即T2*弛豫）很快，明显快于T2弛豫。GRE序列利用梯度场切换产生回波，因而不能剔除主磁场不均匀造成的质子失相位，因此在相同的TE下，GRE序列得到的回波的幅度将明显低于SE序列，即便有时SE序列的TE长于GRE序列，其回波的幅度也常常大于后者。另一方面，GRE序列常用小角度激发，射频脉冲激发所产生的横向磁化矢量本来就比SE序列小。不难理解，GRE序列图像的固有信噪比将低于SE序列（图41）。自旋回波类序列的特点之一是对磁场不均匀性不敏感，因为180°复相脉冲可剔除主磁场不均匀造成的质子失相位。在GRE序列中，回波的产生依靠梯度场的切换，不能剔除主磁场的不均匀造成的质子失相位。因此，GRE序列对磁场的不均匀性比较敏感。这一特性的缺点在于容易产生磁化率伪影，特别是在气体与组织的界面上。优点在于容易检出能够造成局部磁场不均匀的病变，如出血、血色病等。扰相GRE序列当GRE序列的TR明显大于组织的T2值时，下一次α脉冲激发前，组织的横向弛豫已经完成，即横向磁化矢量几乎衰减到零，这样前一次α脉冲激发产生的横向磁化矢量将不会影响后一次α脉冲激发所产生的信号。但当TR小于组织的T2值时，下一次α脉冲激发前，前一次α脉冲激发产生的横向磁化矢量尚未完全衰减，这种残留的横向磁化矢量将对下一次α脉冲产生的横向磁化矢量产生影响，这种影响主要以带状伪影的方式出现，且组织的T2值越大、TR越短、激发角度越大，带状伪影越明显。为了消除这种伪影我们必需在下一次α脉冲施加前去除这种残留的横向磁化矢量，采用的方向就是在前一次α脉冲的MR信号采集后，下一次α脉冲来临前对质子的相位进行干扰，使其失相位加快，从而消除这种残留的横向磁化矢量。干扰的方法有两种：（1）施加扰相位梯度场，可只施加于层面选择方向或三个方向都施加；（2）施加扰相位射频脉冲。以施加扰相位梯度场应用较多，施加了扰相位梯度场后，将造成人为的磁场不均匀，加快了质子失相位，从而消除这种残留的横向磁化矢量（图43）。我们把施加了扰相位梯度场或扰相位射频脉冲的梯度回波序列称为扰相GRE序列。这个序列在不同的公司有着不同的名称，如GE公司称之为SPGR（spoiledgradientrecalledecho），西门子公司称之为FLASH（fastlowangleshot），飞利浦公司称之为FFE（fastfieldecho）。与常规GRE序列（图42）相比，扰相GRE序列唯一的不同就是在前一次α脉冲的回波采集后，下一次α脉冲来临前，在层面选择方向、相位编码方向及频率编码方向都施加了一个很强的梯度场，人为造成磁场不均匀，加快了质子失相位，以彻底消除前一次α脉冲的回波采集后残留的横向磁化矢量。常规GRE序列和扰相GRE序列的临床应用常规GRE序列与扰相GRE序列在临床上的应用比较广泛，两种序列的作用相近，但当不能满足TRT2*的条件时，则应该选用扰相GRE序列，以尽量消除带状伪影。因此临床上更多采用扰相GRE序列，下面就以扰相GRE序列为例介绍其临床应用（以下介绍的成像参数以1.5T扫描机为例，其他场强的扫描机应作适当修改）。扰相GRET1WI序列扰相梯度回波T1WI在临床上的应用非常广泛，在很多部位已经成为常规检查序列。根据成像的目的不同，其成像参数变化也比较大，下面将介绍扰相GRET1WI序列目前较为常用的技术。1.扰相GRE腹部屏气二维T1WI为上中腹部脏器检查的常规T1WI序列之一，在很多医院已经取代SET1WI。对于1.5T扫描机，一般TR为80~200ms，激发角度60~90°，选用短的TE（通常为4~4.5ms），根据所选成像参数的不同，TA一般为15~30s，一次屏气常可扫描15~30层，可以覆盖肝胆胰脾和双肾。利用该序列除了可以进行常规T1WI外，还可以进行动态增强扫描。该序列配用脂肪抑制技术可以清晰显示胰腺病变。利用该序列通过对TE的调整还可以进行化学位移成像（详见化学位移成像一节）。与SET1WI相比，该序列用于腹部成像时的优点表现在：（1）T1对比良好；（2）如果屏气良好，则没有明显的呼吸运动伪影；（3）成像速度快，可以进行动态增强扫描。该序列的缺点主要是屏气不好者有明显的呼吸运动伪影。2.扰相GRE腹部屏气三维T1WI当腹部脏器屏气扫描要求层厚较薄，或需要同时兼顾脏器成像和血管成像时可考虑选用该序列，可作平扫T1WI，也可进行动态增强扫描。在1.5T扫描机上，TR一般为4~8ms，选用尽量短TE（小于3ms），激发角度一般为10~20°，根据成像参数和扫描层数的不同，扫描时间常为20~30s。与扰相GRE二维T1WI序列相比，该序列的优点为：（1）在层面较薄时可以保持较高的信噪比；（2）没有层间距，有利于小病灶的显示；（3）可同时兼顾脏器实质成像和三维血管成像的需要。缺点主要是其软组织T1对比往往不及扰相GRE二维T1WI。3.利用扰相GRE序列进行流动相关的MRA有关流动相关MRA的原理将在MRA一节中介绍，这里仅介绍扰相GRET1WI在MRA中的应用。无论时间飞跃（TOF）MRA还是相位对比（PC）MRA，也无论是二维MRA还是三维MRA均可采用扰相GRET1WI序列，下面就以最常用的三维TOFMRA为例介绍其临床应用。在1.5T的扫描机上，三维TOFMRA序列的TR一般为25~45ms，选用短的TE（一般为6.9ms），激发角度一般为20°~30°，根据成像参数的不同，TA一般为5~10min。从上述扫描参数可以看出，三维TOFMRA实际上是一个T1权重比较重的T1WI，这样可以抑制背景静止组织的信号，而有效地反映血液的流入增强效应。三维TOFMRA在临床上多用于头颈部的血管成像。利用扰相GRE序列进行的二维或三维TOF或PC血管成像技术的优点在于无需注射对比剂即可清楚显示血管结构。4.对比剂增强MRA对比剂增强（CE-MRA）一般也采用三维扰相GRET1WI序列，其原理请参阅MRA一节。在1.5T的扫描机上，TR常为3~6ms，TE为1~2ms，激发角度为25°~40°，根据成像参