基于磁共振弛豫時(shí)間實(shí)現(xiàn)加權(quán)像和壓脂技術(shù)

尹朝陽,孫駿力,姚紅英

(復(fù)旦大學(xué) 物理學(xué)系,上海 200433)

磁共振成像是根據(jù)生物磁性核(如氫核)在磁場中表現(xiàn)的共振特性進(jìn)行成像的新技術(shù). 1973年,美國科學(xué)家Paul Lauterbur首次得到核磁共振圖像,隨后英國科學(xué)家Peter Mansfield又進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)了這種方法,并將其定量化,從此磁共振成像(MRI)成為核磁共振技術(shù)的一個(gè)重要分支,得到了空前的發(fā)展[1]. 隨著磁體技術(shù)、超導(dǎo)技術(shù)、低溫技術(shù)、電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步,MRI技術(shù)得到了飛速發(fā)展,如今不僅在現(xiàn)代醫(yī)學(xué)影像領(lǐng)域中大放異彩,在食品、石油測井等工業(yè)領(lǐng)域以及材料科學(xué)等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用. 弛豫時(shí)間是MRI中的重要物理量[2-4],利用樣品的不同弛豫特性,可以通過調(diào)節(jié)序列參數(shù)實(shí)現(xiàn)加權(quán)成像,也可以得到不同組織成分的相關(guān)信息.

MRI基于物理現(xiàn)象核磁共振和它的理論基礎(chǔ),是物理理論和技術(shù)在醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的重要應(yīng)用,為此在近代物理實(shí)驗(yàn)加入了磁共振成像的內(nèi)容,可讓本科生對新技術(shù)、新儀器、新設(shè)備有所了解,開闊眼界. 此教學(xué)內(nèi)容也在醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開展,根據(jù)不同的課時(shí)設(shè)計(jì)不同的內(nèi)容,本工作是學(xué)生在醫(yī)學(xué)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)性、研究性實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊所做的,可以讓學(xué)生深入理解弛豫時(shí)間及其應(yīng)用和反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列成像及加權(quán)像.

本文通過使用磁共振成像儀,進(jìn)行樣品的縱、橫向弛豫時(shí)間的測量,并實(shí)現(xiàn)樣品不同組織在磁共振成像過程中的區(qū)分,以及實(shí)現(xiàn)磁共振抑制脂肪技術(shù).

1 原理

1.1 核磁共振

原子核系統(tǒng)在外磁場中發(fā)生能級分裂,在一定射頻場作用下吸收能量發(fā)生能級躍遷的現(xiàn)象,叫做核磁共振. 其物理基礎(chǔ)是原子核的自旋.

當(dāng)核自旋系統(tǒng)處在z方向的外磁場Bz中時(shí),角動(dòng)量J和磁矩μ以角頻率ω0=γBz繞Bz方向進(jìn)動(dòng),這種進(jìn)動(dòng)稱為拉莫爾進(jìn)動(dòng),同時(shí)引起核能級的劈裂. 此時(shí)若在垂直于外磁場Bz的方向上施加一個(gè)角頻率為ω的射頻電磁場B1(B1<

ω=ω0=γBz

(1)

對于由大量I=1/2的微觀磁矩組成的宏觀物質(zhì),布洛赫提出用體磁化強(qiáng)度M來描述原子核系統(tǒng)被磁化的程度.M定義為單位體積內(nèi)N個(gè)核磁矩的矢量和,即

分析M的運(yùn)動(dòng),可以比較容易理解核磁共振、弛豫時(shí)間及其成像的物理內(nèi)容. 如圖1所示,氫原子核在外磁場B0作用下,核磁矩在上下兩個(gè)圓錐面上做拉莫爾進(jìn)動(dòng),對應(yīng)于氫核能級的塞曼分裂高、低兩個(gè)能級,形成平衡態(tài)的縱向磁矩M0. 如果在橫向(比如x軸)施加射頻脈沖B1,磁矩也繞x軸做拉莫爾進(jìn)動(dòng),結(jié)果會(huì)產(chǎn)生能級躍遷,使M0向xy平面翻轉(zhuǎn). 這種沿兩個(gè)軸的進(jìn)動(dòng),叫做章動(dòng),也叫拉比振蕩. 章動(dòng)引起的M的運(yùn)動(dòng)軌跡變化如圖2所示.

圖1 氫核(I=1/2)系統(tǒng)在外磁場B0中核磁矩在兩個(gè)塞曼能級的分布及矢量和M,平衡態(tài)時(shí)只有縱向分量M0

圖2 體磁化強(qiáng)度M在共振躍遷過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡跡,從z軸向xy平面翻轉(zhuǎn)

射頻脈沖的能量不同可以使M翻轉(zhuǎn)到不同的位置,剛好使M翻轉(zhuǎn)到xy平面的脈沖叫90°脈沖,使M翻轉(zhuǎn)到負(fù)z軸方向的脈沖叫180°脈沖. 當(dāng)射頻脈沖停止施加,由于Bz的作用,M又會(huì)恢復(fù)到平衡態(tài)M0處,這個(gè)過程為弛豫過程,是復(fù)雜的能量交換過程. 其中自旋-自旋的相互作用可以對應(yīng)到磁化強(qiáng)度橫向分量Mxy的變化,稱為橫向弛豫,對應(yīng)的時(shí)間為橫向弛豫時(shí)間T2. 自旋-晶格的相互作用可以對應(yīng)到磁化強(qiáng)度縱向分量Mz的變化,稱為縱向弛豫,對應(yīng)的時(shí)間為縱向弛豫時(shí)間T1.T2和T1這兩個(gè)量及核自旋密度都對成像信號的大小有直接的影響,臨床上為了更好的診斷、治療,需要清晰的不同條件下的磁共振圖像,因而需要突出某一參數(shù)的影響而弱化其他參數(shù)的影響,即加權(quán)像,比如質(zhì)子密度加權(quán)像、T2加權(quán)像和T1加權(quán)像.

本文采用的核磁共振成像技術(shù)實(shí)驗(yàn)儀所施加的軟脈沖對應(yīng)的頻帶較窄[5],只能激發(fā)較小進(jìn)動(dòng)頻率范圍的質(zhì)子,選擇性較好,通常用于成像.

1.2 弛豫時(shí)間

弛豫是粒子受到激發(fā)后,以非輻射的方式回到基態(tài)而達(dá)到玻爾茲曼平衡的過程. 弛豫過程中,同時(shí)而又獨(dú)立地發(fā)生兩方面磁矢量變化,它的定義為90°脈沖后,z軸方向的縱向磁化矢量Mz由小恢復(fù)到M0的63%時(shí)所需的時(shí)間,稱為縱向弛豫時(shí)間,反映自旋系統(tǒng)粒子數(shù)差從非平衡態(tài)恢復(fù)到平衡態(tài)的特征時(shí)間常數(shù).xy平面的橫向磁化矢量Mxy由大衰減到M0的37%時(shí)所需的時(shí)間,稱為橫向弛豫時(shí)間,即相位一致的氫質(zhì)子磁矩發(fā)生相位離散,進(jìn)而導(dǎo)致失相位,表征由于非平衡態(tài)進(jìn)動(dòng)位相相關(guān)產(chǎn)生的不為零的磁化強(qiáng)度橫向分量恢復(fù)到平衡態(tài)時(shí)相位無關(guān)(相位隨機(jī)分布)所需要的特征時(shí)間.

對于多成分樣品,不同成分的弛豫特性不同,往往會(huì)有不同的縱向、橫向弛豫時(shí)間,基于此可以實(shí)現(xiàn)磁共振成像并分析樣品的組成和分布信息,以及對于特定成分進(jìn)行信號抑制或加強(qiáng).

1.3 SE(Spin Echo)自旋回波成像序列

自旋回波成像序列是磁共振成像的基本序列,其他序列都是在其之上發(fā)展變化而來的. 其原理如圖3[5]所示.

圖3 自旋回波序列時(shí)序原理圖(圖中橫軸為時(shí)間軸,RF表示射頻脈沖,Gs為選層梯度場,Gp為相位梯度場,Gr為讀出梯度,也就是頻率梯度場,出現(xiàn)回波信號時(shí)采樣.)

在每個(gè)周期內(nèi),自旋回波的產(chǎn)生和采樣過程為“90°脈沖—τ時(shí)間—180°脈沖—τ時(shí)間—采樣”. 在樣品線圈里感應(yīng)出“自旋回波”信號,回波的幅度通常小于原始的FID信號. 原因是由于熱弛豫及擾動(dòng)核磁矩進(jìn)動(dòng)的局域場隨機(jī)波動(dòng)的影響,使磁化強(qiáng)度的幅度稍有損失,回波信號正是我們所關(guān)注和需要采集的. 信號的強(qiáng)度表達(dá)式為[5]

SSE(TE,TR)=AN(H)(1-e-TR/T1)e-TE/T2

(2)

其中TR是脈沖序列重復(fù)時(shí)間,TE是回波時(shí)間,A為增益,N(H)是自旋氫核密度,T1和T2分別是樣品的縱向和橫向弛豫時(shí)間.

1.4 IRSE(Inversion Recover Spin Echo)反轉(zhuǎn)恢復(fù)自旋回波成像序列

反轉(zhuǎn)恢復(fù)成像序列通常由180°X-90°X-180°YRF脈沖序列和三個(gè)正交梯度脈沖(選層、相位編碼、頻率編碼)組成,序列時(shí)序原理如圖4[5]所示.

IRSE序列先施加180°脈沖,使縱向磁化矢量Mz=+M0反轉(zhuǎn)到Z軸的負(fù)方向變?yōu)镸z=-M0,然后Mz以T1時(shí)間常數(shù)進(jìn)行自由弛豫向+M0恢復(fù),經(jīng)過一段時(shí)間t=TI后,在水平方向上施加90°脈沖,施加90°脈沖及之后的脈沖施加與自旋回波序列相同,都是用180°脈沖得到回波,采集回波得到成像數(shù)據(jù). 其中第一個(gè)180°脈沖與90°脈沖之間的時(shí)間間隔記為反轉(zhuǎn)時(shí)間TI.

1.5 自旋回波序列加權(quán)像

由公式2可知,通過改變脈沖序列重復(fù)時(shí)間TR和回波時(shí)間TE可以改變信號幅值,進(jìn)而改變樣品組織在圖像上的灰度. 因此,參數(shù)加權(quán)圖像即為通過選擇合適的TR和TE,來實(shí)現(xiàn)該參數(shù)對樣品組織最終信號的影響權(quán)重,以突出或者強(qiáng)調(diào)該參數(shù)對圖像的影響.

當(dāng)回波時(shí)間很短,即TE<>T1時(shí),1-e-TR/T1≈1. 此時(shí),T1和T2對信號的影響都近似為1,最終信號強(qiáng)度SSE就正比于組織所含的質(zhì)子密度N(H). 這種條件下獲取的圖像亮度差別主要體現(xiàn)了質(zhì)子密度的差別,故稱為質(zhì)子密度加權(quán)像.

當(dāng)回波時(shí)間很短,即TE<

SSE=AN(H)(1-e-TR/T1)

(3)

這種條件下獲取的圖像亮度差別除了質(zhì)子密度的影響,還受到組織T1的影響,隨著TR時(shí)間的縮短,T1的影響程度增大,故稱為T1加權(quán)像T1W1.

當(dāng)脈沖序列重復(fù)時(shí)間TR很長,即TR>>T1時(shí),1-e-TR/T1≈1;當(dāng)回波時(shí)間不短時(shí),T1對信號的影響近似為1,最終信號強(qiáng)度:

SSE=AN(H)e-TE/T2

(4)

這種條件下獲取的圖像亮度差除了質(zhì)子密度的影響,還受到組織T2的影響,隨著TE時(shí)間的延長,T2的影響程度增大,故稱為T2加權(quán)像T2W1.

1.6 磁共振脂肪抑制技術(shù)

脂肪抑制技術(shù)是MRI 檢查中非常重要的技術(shù),合理利用脂肪抑制技術(shù)不僅可以明顯改善圖像的質(zhì)量(如防止水脂肪信號重疊引起的偽影),發(fā)現(xiàn)高脂肪信號掩蓋下的病變,從而提高病變的檢出率,還可以為鑒別診斷提供重要信息[6].

根據(jù)磁共振成像原理,在一般情況下,脂肪組織在磁共振T1WI上呈很高信號,在T2WI上也呈現(xiàn)較高信號,即無論選擇突出哪個(gè)參數(shù)進(jìn)行加權(quán)成像,脂肪信號都會(huì)呈現(xiàn)高亮度,從而影響對其它組織的分析,此時(shí)需要對脂肪信號進(jìn)行抑制.

本文通過反轉(zhuǎn)恢復(fù)成像序列實(shí)現(xiàn)對脂肪的抑制. 在反轉(zhuǎn)恢復(fù)成像序列中,設(shè)置TR>>T1,使得每采集完一個(gè)回波,Mz盡量恢復(fù)到+M0,從而不產(chǎn)生殘余的橫向磁化強(qiáng)度. 在施加90°脈沖之前,磁共振信號的縱向磁化分量以T1為時(shí)間常數(shù)從-M0向+M0進(jìn)行弛豫,弛豫過程模擬如圖5所示.

圖5 反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列施加第一個(gè)180°脈沖后的弛豫曲線

其表達(dá)式可寫為

SIR=AN(H)(1-2e-TI /T1)

(5)

如果信號的讀取在脂肪組織的弛豫曲線過零點(diǎn)時(shí)進(jìn)行,則脂肪對縱向磁化矢量沒有貢獻(xiàn),無法在數(shù)據(jù)采集時(shí)產(chǎn)生信號,即脂肪信號在成像過程中得到抑制.TI是實(shí)現(xiàn)影響脂肪抑制效果的關(guān)鍵參數(shù),根據(jù)公式(5),只要TI=T1ln 2,則脂肪信號在采集時(shí)為0,得到抑制和去除.

2 方法及結(jié)果

本文所用儀器為紐邁科技磁共振成像譜儀,如圖6所示. 圖中左側(cè)為磁體系統(tǒng)(樣品試管放在磁體中央);中間為電腦顯示器;右側(cè)從上往下依次為譜儀系統(tǒng)、主機(jī)、射頻單元和梯度單元. 磁場由永磁鐵提供,大小約為0.5 T,磁場均勻性在15 PPM以下,勻場范圍在1 cm直徑的球內(nèi). 為保證磁場的穩(wěn)定性,永磁鐵恒溫在32 ℃,溫度由程序控溫表頭在射頻單元中顯示. 實(shí)驗(yàn)樣品為水、大豆油、肥肉、瘦肉等,放在直徑15 mm的試管中,樣品在試管中的高度不超過1.5 cm,免得超出勻場空間范圍,引起偽影. 另外實(shí)驗(yàn)儀器配有相應(yīng)的核磁共振分析應(yīng)用軟件、核磁共振成像軟件.

圖6 磁共振成像實(shí)驗(yàn)儀器

2.1 弛豫時(shí)間的測量

本文用CPMG序列測量橫向弛豫時(shí)間T2;用反轉(zhuǎn)恢復(fù)IR序列測量縱向弛豫時(shí)間T1.

CPMG序列是在施加一個(gè)90°射頻脈沖后又施加了很多個(gè)180°射頻脈沖,這樣可以產(chǎn)生多個(gè)自旋回波,它的峰值包絡(luò)線體現(xiàn)了純T2的衰減規(guī)律,讀出回波信號強(qiáng)度采用一定算法按照指數(shù)衰減規(guī)律進(jìn)行反演,即可得到橫向弛豫時(shí)間T2. 圖7為CPMG序列示意圖. 圖中NECH為180°脈沖個(gè)數(shù),P1為90°脈沖寬度,P2為180°脈沖寬度,DL1為180°脈沖和90°脈沖時(shí)間間隔,ACQ為采樣時(shí)間. 圖8為反演曲線示意圖,由峰頂位置得到橫向弛豫時(shí)間T2.

圖7 CPMG序列示意圖

圖8 反演曲線示意圖

反轉(zhuǎn)恢復(fù)IR序列由180°脈沖和90°脈沖組成,IR序列脈沖時(shí)序如圖9所示. 首先施加180°脈沖,使M翻轉(zhuǎn)到負(fù)z軸,脈沖關(guān)閉之后M進(jìn)行弛豫. 在弛豫過程中產(chǎn)生了縱向分量Mz,當(dāng)要測量縱向分量Mz時(shí),用90°脈沖把它翻轉(zhuǎn)到xy平面,馬上進(jìn)行測量,該橫向分量大小與Mz相等,這樣就測得了Mz的值。改變IR序列中DL1的值,就得到一系列不同時(shí)刻Mz的值. 根據(jù)樣品不同的縱向弛豫時(shí)間,設(shè)定不同的時(shí)間間隔DL1和采集數(shù)據(jù)個(gè)數(shù),比如采集20個(gè)或者30個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),按照指數(shù)增加的規(guī)律對數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,就可以得到T1的值. 反演曲線與圖8類似.采用以上方法測量得到相關(guān)成分的縱向、橫向弛豫時(shí)間,如表1所示.

表1 相關(guān)成分的縱向T1、橫向T2弛豫時(shí)間

圖9 反轉(zhuǎn)恢復(fù)序列示意圖

其中,由于脂肪和瘦肉均為一整塊豬肉樣品中切下,為防止在脂肪/瘦肉組織中混有其他成分,采用多次取樣,測量弛豫時(shí)間取平均值得到脂肪和瘦肉的縱向和橫向弛豫時(shí)間,以減小實(shí)驗(yàn)誤差.

可以發(fā)現(xiàn),成分的縱向弛豫時(shí)間T1均大于橫向弛豫時(shí)間T2. 因?yàn)門2是總磁化矢量M在XY平面的分量的衰減過程,當(dāng)總磁化矢量弛豫到接近熱力學(xué)平衡態(tài)的時(shí)候,XY平面的磁化量已經(jīng)弛豫到0,質(zhì)子群內(nèi)部能量交換達(dá)到平衡,T2衰減已結(jié)束,而此時(shí)縱向磁化分量仍在與外界晶格進(jìn)行熱交換,未弛豫到最大值,即仍然在進(jìn)行T1弛豫[1].

2.2 實(shí)現(xiàn)加權(quán)像并區(qū)分水-油樣品

將水和油依次裝入試管,由于水的密度比油大,選擇水在下、油在上的放置方式,使兩者不會(huì)混合到一起.

選擇SE成像序列,按照成像的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步驟1-PRESCAN、2-SOUT、3-SCAN進(jìn)行成像. 選取xz層面進(jìn)行成像,調(diào)節(jié)選層位置位于樣品中央,層厚不要太大,防止部分容積效應(yīng)而導(dǎo)致的MRI的層間污染,空間分辨率的下降[8]. 這是因?yàn)殡m然層厚增加時(shí),相對于較小的層厚,體素內(nèi)質(zhì)子數(shù)量增加,信號強(qiáng)度增加,圖像的信噪比將會(huì)增加,圖像的表觀改善,但是在4 mm以下時(shí),空間分辨率還是主要取決于部分容積效應(yīng)的影響,即空間分辨率與層厚成負(fù)相關(guān).

先做T1加權(quán)像,此時(shí)要求回波時(shí)間TE<

將成像軟件中的共振頻率調(diào)節(jié)為水樣品的共振頻率,固定TE為20 ms,改變TR分別為100、150、300、600、1 200、2 500 ms. 成像如圖10所示,其中左半部分為水,右半部分為大豆油.

圖10 TE=20 ms時(shí)改變TR得到的T1加權(quán)像(從左往右、從上至下依次為TR為100、150、300、600、1 200、2 500 ms)

可以發(fā)現(xiàn),T1加權(quán)像中,水的亮度小于油的亮度,且隨著TR的增大,水的亮度逐漸增大,而油的亮度基本不變.

對水和油的縱向弛豫過程進(jìn)行模擬,得到弛豫曲線示意圖如圖11所示.

圖11 水和油的T1弛豫曲線示意圖

可以看到,在T1弛豫曲線中,大豆油的信號強(qiáng)度始終大于水的信號強(qiáng)度. 此外,由于TR的初始值100 ms已經(jīng)接近大豆油的T1(152 ms),大豆油已經(jīng)基本完成弛豫,故大豆油的亮度基本不發(fā)生變化;而水在該參數(shù)下還沒有完成弛豫,且隨著TR的增大,水的信號強(qiáng)度增大,則在成像上反映為亮度增強(qiáng),與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

再做T2加權(quán)像,此時(shí)要求脈沖序列重復(fù)時(shí)間很長,即TR>>T1,弱化縱向弛豫的影響,而回波時(shí)間TE不短,體現(xiàn)橫向弛豫的影響.

由于水的T1較長,這里設(shè)置TR遠(yuǎn)大于大豆油T1=152 ms,主要來分析大豆油的T2加權(quán)像. 先用核磁共振分析軟件得到大豆油樣品的共振頻率,并在成像軟件中設(shè)置為激發(fā)脈沖的中心頻率. 固定TR為2 500 ms,改變TE分別為20、100、200、300 ms. 成像如圖12所示,其中左半部分為水,右半部分為大豆油. 可以看到,隨著TE的增加,大豆油部分的亮度逐漸降低直至基本為0.

圖12 TR=2 500 ms時(shí)改變TE得到的T2加權(quán)像(從左至右、從上至下TE依次為20、100、200、300 ms)

對水和油的橫向弛豫過程進(jìn)行模擬,得到弛豫曲線示意圖如圖13所示.

圖13 水和油的T2弛豫曲線示意圖

在T2弛豫曲線中,橫向磁化矢量逐漸弛豫為0,則T2加權(quán)像中,隨著TE的增大,大豆油的信號強(qiáng)度逐漸減小直至減為0,這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致.

然而,從橫向弛豫曲線中可以看到,在T2加權(quán)像中,水的信號強(qiáng)度應(yīng)始終大于大豆油的信號強(qiáng)度,且在選擇的掃描參數(shù)下(TE最大為300 ms),認(rèn)為水的信號強(qiáng)度基本不變,所以期望成像時(shí),左半部分(水的部分)應(yīng)當(dāng)亮度始終為最大,且基本不變,但是從圖12中可以看到,水的亮度有一定變化,甚至?xí)笥诖蠖褂筒糠值牧炼?

這是因?yàn)橹霸O(shè)置TR時(shí),主要關(guān)注大豆油的T1加權(quán)像,設(shè)置了TR為2 500 ms,遠(yuǎn)大于大豆油的T1,卻不滿足遠(yuǎn)大于水的T1,此時(shí)與T2加權(quán)像的理論公式(4)不符合. 重新回到原始公式(2),將水的T1=2 477 ms代入調(diào)節(jié)T1參數(shù)權(quán)重的項(xiàng),計(jì)算得1-e-TR/T1≈0.636(TR=2 500 ms);將水的T2=1 874 ms代入調(diào)節(jié)T2參數(shù)權(quán)重的項(xiàng),計(jì)算得e-TE/T2的變化范圍為0.852～0.989,此時(shí)對于水,T1參數(shù)權(quán)重較大,磁共振成像不滿足T2加權(quán)像的條件,T1導(dǎo)致的圖像亮度改變需要考慮,縱向分量在弛豫中恢復(fù)的程度和橫向分量在弛豫中衰減的程度二者相結(jié)合對信號強(qiáng)度的產(chǎn)生的影響,水的亮度從左起1、2、3依次變量到4又變暗.

2.3 基于IR成像序列實(shí)現(xiàn)脂肪抑制

對于脂肪-瘦肉樣品不僅實(shí)現(xiàn)不同成分組織圖像的區(qū)分,而進(jìn)一步要求抑制脂肪信號,保留其他組織的信號. 由表1中脂肪和瘦肉的縱向、橫向弛豫時(shí)間繪制T1、T2弛豫曲線如圖14所示.脂肪的T1=132 ms小于瘦肉的T1=351 ms,而脂肪T2=76 ms大于瘦肉的T2=38 ms,在SE序列下,無論是T1加權(quán)像還是T2加權(quán)像,脂肪的信號都顯著強(qiáng)于瘦肉. 所以我們采用反轉(zhuǎn)恢復(fù)自旋回波序列來實(shí)現(xiàn)磁共振脂肪信號的抑制.

圖14 脂肪-瘦肉樣品縱向、橫向弛豫曲線(上為縱向,下為橫向)

首先將肥、廋肉樣品裝入試管,如圖15所示. 其中上半部分為脂肪,下半部分為瘦肉.

圖15 脂肪-瘦肉樣品

為實(shí)現(xiàn)脂肪信號的抑制,使用IRSE反轉(zhuǎn)恢復(fù)自旋回波成像序列成像. 由公式5,為消除脂肪信號,設(shè)置反轉(zhuǎn)時(shí)間TI=T1ln 2=92 ms(這里的T1為脂肪的縱向弛豫時(shí)間132 ms),由于脂肪的T1比瘦肉的小,其縱向分量先衰減到0,此時(shí)瘦肉的縱向分量還未衰減到0,仍參與后續(xù)成像. 設(shè)置TR=2 400 ms保證其遠(yuǎn)大于T1,使得每采完一個(gè)回波,Mz盡量恢復(fù)到+M0,從而不產(chǎn)生殘余的橫向磁化強(qiáng)度分量. 設(shè)置TE=20 ms,使T2參數(shù)在成像中的權(quán)重接近于0. 設(shè)置在xz層面上進(jìn)行掃描,按照成像的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)步驟1-PRESCAN、2-SOUT、3-SCAN進(jìn)行成像.

測量結(jié)果如圖16所示. 其中左邊為IRSE序列下的成像,右邊為SE序列下的成像. 在每張像中,左半部分為瘦肉組織,右半部分為脂肪組織.

圖16 脂肪-瘦肉樣品的磁共振成像(左為IRSE序列成像,右為SE序列成像)

可以看到,SE序列的成像中,脂肪明顯亮于瘦肉,而在IRSE序列的成像中,脂肪的亮度小于瘦肉的亮度,即脂肪信號得到抑制.

但是,由圖16可以發(fā)現(xiàn),在IR序列成像中,雖然脂肪信號亮度較低,但是仍有一定的信號強(qiáng)度,此時(shí)脂肪信號沒有完全被消除. 由于TI對脂肪信號的抑制起決定性作用,下面調(diào)整參數(shù)TI進(jìn)行成像質(zhì)量的改善.

保持TR、TE不變,而只改變反轉(zhuǎn)時(shí)間TI為84 ms、88 ms、92 ms、96 ms、100 ms,分別用IR序列進(jìn)行成像,結(jié)果如圖17所示.

圖17 IRSE序列只改變TI得到的脂肪-瘦肉樣品成像(從左至右、從上至下依次為TI=84、88、92、96、100 ms)

由圖17可以看到,設(shè)置TI≈84～88 ms時(shí),脂肪信號得到最佳的抑制效果,而非理論計(jì)算出的TI=92 ms. 即理論值相較于實(shí)際的TI偏大.

對于前面推導(dǎo)使得TI=T1ln 2成立的公式(5),其適用條件為TR遠(yuǎn)大于T1而TE趨近于0. 而在真正的實(shí)驗(yàn)過程中,TR無法做到無窮大,且受實(shí)驗(yàn)儀器的限制TE可設(shè)置的最小值為20 ms,此時(shí)考慮這兩個(gè)參數(shù)的影響,則修正后的理論公式為[5]

SIR(TI,TR,TE)=

(6)

代入實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)TR和TE的值,計(jì)算得修正后的TI=91.629 ms,略小于之前的理論值TI=92 ms,但是仍然大于實(shí)際值88 ms.

再考慮自旋-晶格弛豫時(shí)間T1受溫度的影響. 在磁共振弛豫中,一般溫度上升,T1值延長. 實(shí)驗(yàn)室的溫度約為25 ℃,肉類樣品從冷藏中取出,低于10 ℃,實(shí)驗(yàn)儀器樣品室的溫度為32 ℃,實(shí)驗(yàn)時(shí)對豬肉切割,分幾次測量,實(shí)驗(yàn)也進(jìn)行了幾個(gè)小時(shí)之久,所以對樣品的溫度控制得不是很好,因而也會(huì)對豬肉成像時(shí)的實(shí)際T1值有影響,導(dǎo)致理論預(yù)測值與實(shí)驗(yàn)值有出入.

最后,仔細(xì)觀察圖像,可以看到,在脂肪信號的抑制過程中,瘦肉組織的成像亮度也受到些許的影響. 這是采用的核磁共振譜儀中激發(fā)的軟脈沖序列頻帶寬度不夠窄,導(dǎo)致除脂肪信號外,瘦肉組織中一些與脂肪信號頻率相近的成分被激發(fā)參與抑制過程;以及由于IR序列的特性,某些被增強(qiáng)掃描的成分的T1值縮短到與脂肪組織相近,從而導(dǎo)致信號被抑制. 此時(shí)為實(shí)現(xiàn)磁共振抑制脂肪,可以采用頻率選擇飽和法(連續(xù)施加單一頻率的預(yù)脈沖使脂肪組織中的質(zhì)子被連續(xù)激發(fā)達(dá)到飽和,從而在施加真正的激發(fā)射頻脈沖時(shí)不再接收能量而不產(chǎn)生信號)[7,8]等等其他壓脂方法.

3 結(jié)論

不同成分具有不同的縱向、橫向弛豫時(shí)間,一般情況下同一成分的縱向弛豫時(shí)間T1大于其橫向弛豫時(shí)間T2. 基于不同弛豫時(shí)間實(shí)現(xiàn)水-油樣品在磁共振成像中的區(qū)分,發(fā)現(xiàn)T1加權(quán)像要求回波時(shí)間TE<>T1而回波時(shí)間TE不很短. 在T1加權(quán)像中,隨著TR的增大,樣品的亮度增大直至完全弛豫;在T2加權(quán)像中,隨著TE的增加,樣品的亮度逐漸降低直至基本為0. 采用IRSE成像序列實(shí)現(xiàn)磁共振抑制脂肪技術(shù),分析溫度等參數(shù)對抑制效果的影響. 在磁共振壓脂技術(shù)中,為確保成像質(zhì)量,要求脈沖序列重復(fù)時(shí)間TR大于5～6個(gè)T1.