第九节自旋回波的产生.doc

第九节 自旋回波的产生
自旋回波（spin echo，SE）序列是MR成像的经典序列，其他序列的结构和特点均需要与SE序列进行比较。因此在介绍其他序列和成像技术之前有必要重点介绍SE序列。SE序列的特点就是在90°脉冲激发后，利用180°复相脉冲，以剔除主磁场不均匀造成的横向磁化矢量衰减。
一、180°脉冲剔除主磁场不均匀造成的横向磁化矢量衰减
在核磁弛豫一节我们提到，经射频脉冲激发后，质子群将产生宏观横向磁化矢量，射频脉冲关闭后，横向磁化矢量将开始逐渐衰减，其原因是同相位进动的质子逐渐失去相位一致。造成质子失相位的原因有两个，一个是真正的T2弛豫，另一个为主磁场的不均匀。为了使MR图像反映的是真正的T2弛豫对比，必须把主磁场不均匀造成的质子失相位效应剔除，所采用的办法就是利用180°复相脉冲。
3
1
2
4
1
2
3
4
3
1
2
3
4
1
2
4
180°复相脉冲纠正这种质子失相位的前提是主磁场的不均匀必须是恒定的，也就是说甲处的磁场强度略高于乙处，这种差别是保持不变的，这样引起甲处的质子进动频率略高于乙处，这种质子进动频率的差别也是保持不变的。180度°相脉冲的聚相位作用可以图19来演示。

a.90°脉冲后 b.质子失相位 c.180°脉冲后 d.质子相位重聚
图19 180°复相脉冲的聚相位作用示意图
图19中，我们沿Z轴方向看XY平面的横向磁化矢量变化，假定质子的进动方向为逆时针方向（圆圈上箭头所示），且进动方向保持不变。图19a示90°脉冲激发后质子的横向磁化分矢量相位一致（质子1~4）。图19b示随着时间推移，由于主磁场不均匀，质子的横向磁化分矢量逐渐失相位，到了180°脉冲施加前的即刻，质子1进动最慢相位落在最后面，质子4进动最快，其相位走在最前面；图19c示施加180°复相脉冲后即刻，所有质子的相位反转了180°，即进动最慢的质子1的相位到了最前面，进动最快的质子4的相位落到最后面，我们把90°脉冲与180°脉冲的时间间隔称为Ti。与施加180°脉冲前的即刻（图19b）相比，各质子的相位先后顺序倒排，但相位的差值保持不变。180°复相脉冲后，各质子将以原来的频率继续进动，即质子1依然进动最慢，而质子4依然进动最快。图19d示经过一个与Ti相同的时间后，进动最快的质子4正好赶上进动最慢的质子1，各质子的相位重聚，产生一个回波。我们把180°复相脉冲产生的回波称为自旋回波。
二、自旋回波序列的基本构建
SE序列是由1个90°激发脉冲后随1个180°复相脉冲组成的，1次90°激发脉冲后仅能产生一个MR信号（自旋回波）。由于相位编码的需要，一幅矩阵为256×256的MR图像需要用不同的相位编码梯度场编码并采集256个回波方能完成K空间的填充，也就是说需要进行256次90°~180°的脉冲重复。
在SE序列中，用90°脉冲产生一个最大的宏观横向磁化矢量，然后利用180°复相脉冲产生一个自旋回波（图20）。把90°脉冲中点到回波中点的时间间隔定义为回波时间（echo time，TE）；把两次相邻的90°脉冲中点的时间间隔定义为重复时间（repetition time，TR）（图20）。
Ti
TE
TR
90°
90°
180°
180°
回波
回波

时间（ms）
100%
50%
37%
20%
Mxy
Mz
100%
50%
25%
时间（ms）
63%
图20 SE序列结构示意图 SE序列是由一连串90°180°脉冲构成的，90°激发脉冲后一定时间（Ti，为90度脉冲中点与180度脉冲中点的时间间隔）给予180°复相脉冲，再经过一个Ti后，将产生一个自旋回波，把90°脉冲中点与回波中点的时间间隔定义为TE。由于90°——180°脉冲需要反复进行，相邻两个90°脉冲中点的时间间隔定义为TR。

a b
图21 TR和TE控制着组织T1和T2成分在图像对比中的作用 细曲线为甲组织的弛豫曲线，粗曲线为乙组织的弛豫曲线。图a为两种组织的纵向弛豫示意图，如果选用的TR很长，那么在每一次90°脉冲激发时（向下空箭所示），甲、乙两种组织的纵向磁化矢量都回到平衡状态，因此采集到MR信号几乎不受组织纵向弛豫的影响。图b为两种组织的横向弛豫示意图，如果选用的TE很短，那么每一次90°脉冲产生的横向磁化矢量还没有开始衰减前即采集了MR信号（向下空箭所示），则采集到的MR信号几乎不受组织横向弛豫的影响。
三、自旋回波序列的加权成像
SE序列是MR成像的经典序列，也是常规序列。利用SE序列可以进行T1加权成像、T2加权成像及质子密度加权成像。SE序列中，组织的纵向弛豫特性（即T1值）在图像中所充当的角色，也就是说图像的T1成分主要由重复的时间（TR）决定；组织的横向弛豫特性（及T2值）在图像中所充当的角色，也就是说图像的T2成分主要由回波时间（TE）决定。如果选用的TR很长，在下一个90°脉冲激发前各种组织的纵向弛豫已经完成，则图像的对比几乎不受组织纵向弛豫的影响，即选用很长的TR可以基本剔除组织的T1值对图像对比的影响（图21a）。如果选用的TE很短，每一次90°脉冲产生的宏观横向磁化矢量还没来得及发生横向弛豫就已经采集信号，则图像的对比几乎不受组织横向弛豫的影响，即选用很短的TE可以基本剔除组织的T2值对图像对比的影响（图21b）。
通过对SE序列的TR和TE调整，我们可以决定在MR图像中所含有的T1和T2成分，获得不同的加权图像。下面让我们看看怎样利用TR和TE的调整来完成SE序列的加权成像。
（一）T1加权成像
时间（ms）
100%
50%
37%
20%
Mxy
Mz
100%
50%
25%
时间（ms）
63%
T1对比
在SE序列中如果我们选用一个很短的TE基本剔除了组织T2值对图像对比的影响（图22b），而选择一个合适短的TR，这样在每一次90°脉冲激发前不同的组织由于纵向弛豫的快慢不同，已经恢复的宏观纵向磁化矢量就不同（图22a），90°脉冲后产生的宏观横向磁化矢量就不同，这时马上利用180°脉冲产生回波（选用很短TE），采集的MR信号主要反映组织纵向弛豫的差别（即T1值不同），所以是T1WI。

a b
图22 SE序列T1WI示意图 细曲线为甲组织的弛豫曲线，粗曲线为乙组织的弛豫曲线，假设甲乙两种组织的质子密度相同。选用一个合适短的TR，这样在每一个（除第一个）90°脉冲施加前（图a向下空箭），由于纵向弛豫快（T1值短）甲组织已经恢复的宏观纵向磁化矢量大于乙组织，两者之间的宏观纵向磁化矢量差别即为T1对比（两条横虚线之间的距离）。90°脉冲将使这种宏观纵向磁化矢量的差别偏转，成为宏观横向磁化矢量的差别，这时立刻用180°复相脉冲产生自旋回波来记录这种宏观横向磁化矢量的差别，而实际上这种宏观横向磁化矢量的差别是由于纵向弛豫不同造成的，因此所得到的图像为T1WI。选用很短的TE（图b向下空箭）是为了尽量减少组织横向弛豫对图像对比的污染。
SE序列T1WI应该选用最短的TE，一般为8～20 ms。根据所需要的T1权重选用不同的TR，TR一般为200～600 ms。在一定的范围内TR越短T1权重越重。
（二）T2加权成像
SE序列中如果选用很长的TR，这样保证每一次90°脉冲激发前各种组织的纵向磁化矢量都已经回到平衡状态，就可以基本剔除组织的纵向弛豫对图像对比的影响。90°脉冲激发后，各组织的宏观横向磁化矢量将由于T2弛豫而发生衰减，由于各组织的T2弛豫快慢不一，在某同一时刻，各组织残留的宏观横向磁化矢量就会存在差别，我们利用180°脉冲在一个合适的时刻（合适长的TE）产生一个自旋回波，这样采集的MR信号主要反映各种组织残留宏观横向磁化矢量的差别，也即T2弛豫差别，得到的图像就是T2WI（图23）。
时间（ms）
100%
50%
37%
20%
Mxy
Mz
100%
50%
25%
时间（ms）
63%
T2对比
SE序列T2WI应该选择很长的TR，以尽量消除组织纵向弛豫对图像对比的污染。当然TR的延长将成比例的增加MR信号的采样时间，因此利用SE序列进行T2WI时TR也不宜过长，一般在场强为0.5 T以下的低场机，TR选择1500 ～2000 ms，在1.0 T到1.5 T的高场机一般TR选择2 000～2 500 ms。选择不同的TE则可得到不同的权重的T2WI，TE一般为50～150 ms，TE越长T2权重越重。

a b
图23 SE序列T2WI示意图 细曲线为甲组织的弛豫曲线，粗曲线为乙组织的弛豫曲线，假设甲乙两种组织的质子密度相同。选用一个很长的TR，这样在每一个90°脉冲施加前（图a向下空箭），甲、乙两种组织的纵向磁化矢量都回到平衡状态。90°脉冲产生的宏观横向磁化矢量就不会带有T1弛豫信息。90°脉冲后，甲乙两组织将发生T2弛豫，由于甲组织T2弛豫快，到TE时刻（图b向下空箭）甲组织残留的宏观磁化矢量将小于乙组织，这种宏观横向磁化矢量的差别即为T2对比（图b两条横虚线之间的距离），这样甲组织产生的MR信号强度将小于乙组织。这时图像的对比主要是由于甲乙两组织的T2弛豫不同造成的，因此为T2WI。

（三）质子密度（proton density，PD）加权成像
SE序列中，如果选择很长的TR基本剔除了组织纵向弛豫对图像对比的影响（图20a），这样每次90°脉冲前不同组织间的宏观纵向磁化矢量差别即为质子密度差别，90°脉冲后把这种宏观纵向磁化矢量的差别变成宏观横向磁化矢量的差别，这时利用180°复相脉冲马上产生一个自旋回波（选择很短的TE），基本剔除组织横向弛豫对图像对比的影响（图21b）。这样得到的每一个MR信号的对比实际上来自各组织的质子密度差异，因此采用长TR、短TE得到的是质子密度加权成像。利用SE序列进行质子密度加权成像，TR应该与T2WI的TR相似，而TE应该与T1WI的TE相似。
正如我们在本章第六节提到的，所谓加权成像，实际上是重点突出某方面特性，也就是说图像的对比主要决定于组织的某项特性（如T1值、T2值、质子密度等），但实际上组织其他方面的特性还是会影响到图像的对比的。如T1WI主要是突出不同组织间T1弛豫差别，但实际上组织的质子密度和T2弛豫同样会影响到图像的对比。首先我们在介绍T1WI先假设不同组织间质子密度相同，但实际上不同组织的质子密度是不同的，因此在T1WI中质子密度的差别也会影响图像的对比；另外尽管我们尽量采用最短的TE，但采集回波毕竟是需要时间的，在SE序列中TE最短也需要8～10 ms，尽管很短，但在这段时间组织的横向弛豫还是不可避免要发生的，因此T1WI的图像对比还是会受到组织T2弛豫差别的影响。我们可以把这种质子密度和T2弛豫对T1WI对比的影响称为“污染”。同样T2WI的对比将受到组织T1弛豫及质子密度差异的污染，而质子密度加权图像的对比也将受到组织T1弛豫和T2弛豫差别的污染。我们在利用SE序列进行加权成像时，一般只能做到尽量减少污染，而做不到完全剔除污染。