超短回波時(shí)間磁共振成像的優(yōu)化范文

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《生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)雜志》2015年第六期

摘要：

傳統(tǒng)磁共振序列回波時(shí)間至少為1ms，能夠形成良好的軟組織對(duì)比度。然而一些短T2組織由于衰減太快，在傳統(tǒng)磁共振圖像中呈現(xiàn)暗信號(hào)。近年來(lái)，超短回波時(shí)間序列因其對(duì)短T2組織的成像能力成為了磁共振領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，絕大多數(shù)研究是在高場(chǎng)下進(jìn)行的，但在發(fā)展中國(guó)家仍有大量的低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)在使用。本文在0．35T永磁磁共振系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了三維超短回波時(shí)間序列，研究采樣與讀出梯度間的延時(shí)、參與計(jì)算R2＊圖像的回波時(shí)間和欠采樣率對(duì)結(jié)果的影響。通過(guò)改變成像和重建參數(shù)發(fā)現(xiàn)，采樣與讀出梯度間的微小延時(shí)會(huì)對(duì)原始圖像產(chǎn)生較大的影響；用不同時(shí)刻的回波圖像計(jì)算出的R2＊圖像也有較大的差別；而過(guò)度的欠采樣會(huì)直接影響對(duì)短T2組織的顯示。上述結(jié)果顯示了在低場(chǎng)下進(jìn)行三維超短回波時(shí)間成像時(shí)選擇合適成像參數(shù)的重要性，通過(guò)選擇適當(dāng)?shù)膮?shù)，短T2組織可以在低場(chǎng)下得到成像。

關(guān)鍵詞：

磁共振成像；超短回波時(shí)間；短T2組織

傳統(tǒng)磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）序列的回波時(shí)間（echotime，TE）通常在1ms及以上，能夠?qū)θ梭w內(nèi)大多數(shù)軟組織形成良好的對(duì)比度，包括腦灰質(zhì)、腦白質(zhì)、肌肉、脂肪及血液等［1］。然而人體中還存在著一部分短T2組織，例如骨密質(zhì)、肌腱、韌帶、半月板、牙質(zhì)等等［2］。這些組織的T2在幾百微秒至幾毫秒之間不等，當(dāng)k空間中心被采集時(shí)這些組織的信號(hào)已經(jīng)衰減了很大部分甚至幾乎為零［3］。因此在傳統(tǒng)磁共振圖像中這些短T2組織通常呈現(xiàn)極弱甚至為零的信號(hào)。雖然在這種情況下仍然可以得到短T2組織與周?chē)M織在解剖結(jié)構(gòu)上的相對(duì)位置信息，但短T2組織本身的結(jié)構(gòu)、生理信息都被丟失了。

為了對(duì)短T2組織進(jìn)行成像，研究人員提出了兩類(lèi)方法：延長(zhǎng)組織的T2或者縮短成像序列的TE。當(dāng)肌腱組織與主磁場(chǎng)的角度從0°增大至55°時(shí)其T2值會(huì)由幾毫秒增大至二十多毫秒，55°角也因此被稱(chēng)為“魔角”［4］。魔角成像無(wú)需對(duì)序列進(jìn)行調(diào)整，但對(duì)被成像者的體位有一定要求［5］，并且能夠產(chǎn)生魔角效應(yīng)的短T2組織也有限。變回波時(shí)間序列采用中心TE短、周?chē)鶷E長(zhǎng)的方式縮短整個(gè)k空間的有效TE［6］，重建簡(jiǎn)單，但能夠達(dá)到的TE仍在幾百微秒的數(shù)量級(jí)上。零回波時(shí)間序列從不關(guān)閉讀出梯度，能夠達(dá)到真正意義上的TE為零［7］，但是對(duì)系統(tǒng)要求很高，目前都只能在高場(chǎng)高性能磁共振系統(tǒng)中才能實(shí)現(xiàn)。三維超短回波時(shí)間（ultrashortechotime，UTE）成像利用短時(shí)硬脈沖進(jìn)行全激發(fā)，激勵(lì)后馬上進(jìn)行從中心開(kāi)始的徑向半k空間軌跡采集，這種成像方式使得TE能夠達(dá)到200μs以下［8］。與二維UTE成像相比，三維UTE成像不受最大梯度限制，能夠達(dá)到更高的空間分辨率，由于采集時(shí)間長(zhǎng)也具有更高的信噪比。除了能夠?qū)Χ蘐2組織進(jìn)行成像，UTE技術(shù)還使得對(duì)短T2組織的定量測(cè)量成為可能［9］。因此，三維UTE成像技術(shù)成為了近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，然而幾乎所有研究都是在高場(chǎng)下進(jìn)行的。

考慮到在發(fā)展中國(guó)家仍有數(shù)量巨大的低場(chǎng)磁共振系統(tǒng)在使用，因而開(kāi)展基于低場(chǎng)的UTE研究也是迫切需要的。本文在0．35T磁共振系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了三維UTE序列，對(duì)跟腱進(jìn)行成像。由于UTE序列從k空間中心開(kāi)始徑向采樣的特殊性，UTE圖像對(duì)采樣與讀出梯度間的延時(shí)十分敏感［10］，因此采用不同的延時(shí)時(shí)間重建UTE圖像，確定最優(yōu)的延時(shí)時(shí)間。為了突出顯示短T2組織，通常采用的方法是計(jì)算兩個(gè)回波圖像的差值圖像［11］，本文利用兩個(gè)回波直接計(jì)算R2＊圖像，改變回波時(shí)間，確定0．35T下跟腱成像的最優(yōu)第二回波時(shí)間。在三維UTE采樣中，為縮短掃描時(shí)間往往采用欠采樣，徑向軌跡對(duì)欠采樣的容忍度較高，相比于均勻采樣圖像中由欠采樣引起的偽影也較小，本文用不同的欠采樣率對(duì)圖像進(jìn)行重建，測(cè)試低場(chǎng)下UTE對(duì)欠采樣的容忍度。

1材料與方法

本文利用XGYMRIOPER－0．35T永磁磁共振系統(tǒng)（寧波鑫高益磁材有限公司）中的EVO譜儀（MRSolutions有限公司）提供的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了三維UTE序列，對(duì)人體跟腱進(jìn)行成像。射頻硬脈沖持續(xù)時(shí)間為0．12ms，采樣帶寬40kHz，最短有效TE為0．14ms，重復(fù)時(shí)間（repetitiontime，TR）20ms，每個(gè)重復(fù)時(shí)間采集70個(gè)采樣點(diǎn)。所有圖像的重建都采用網(wǎng)格化法（gridding）。對(duì)采集與讀出梯度間延時(shí)的微調(diào)是在水模以及橡皮上進(jìn)行的。兩個(gè)字母形狀的水模和一個(gè)瓶狀水模中注有硫酸銅溶液，模擬長(zhǎng)T2組織，兩塊不同種類(lèi)的橡皮模擬短T2組織。視野（fieldofview，F(xiàn)OV）在三個(gè)方向上都為160mm，分辨率在三個(gè)方向上相同，為1．25mm，激勵(lì)脈沖翻轉(zhuǎn)角為35°，共采集10287條半k空間軌跡，重建矩陣為邊長(zhǎng)128像素的立方體，掃描時(shí)間為206s。調(diào)節(jié)采集與讀出梯度間的延時(shí)參數(shù)重建圖像，調(diào)節(jié)的步長(zhǎng)為10μs，通過(guò)比較不同延時(shí)對(duì)應(yīng)的圖像可以得到最優(yōu)的延時(shí)參數(shù)。

本文對(duì)三名健康被試（男性一人，女性?xún)扇耍?2～25歲）進(jìn)行了在體三維UTE成像實(shí)驗(yàn)，用頭線圈接收腳踝部的磁共振信號(hào)。射頻激勵(lì)翻轉(zhuǎn)角為25°，其余成像參數(shù)與水模實(shí)驗(yàn)相同。共采集了5個(gè)不同時(shí)刻的回波，TE分別為0．14、1．14、2．64、4．14以及6．14ms，總掃描時(shí)間為17．2min。為了抑制長(zhǎng)T2組織在圖像中的亮度，實(shí)驗(yàn)中用兩個(gè)回波計(jì)算R2＊圖像的方法增強(qiáng)短T2組織相對(duì)于長(zhǎng)T2組織的對(duì)比度。由于噪聲的存在，用不同回波時(shí)間的圖像計(jì)算R2＊圖像得到的結(jié)果會(huì)有所不同，選擇最佳的回波時(shí)間需要已知噪聲大小以及組織的T2＊。由于跟腱在0．35T低場(chǎng)下的T2＊未知，因此比較了不同回波計(jì)算得到的增強(qiáng)結(jié)果。以第一個(gè)回波作為原始圖像，用第一、二個(gè)回波計(jì)算R2＊圖像1，第一、三個(gè)回波計(jì)算R2＊圖像2，第一、四回波計(jì)算R2＊圖像3，第一、五回波計(jì)算R2＊圖像4。在每幅圖像中計(jì)算跟腱與骨髓的對(duì)比度，并進(jìn)行了兩兩之間的t檢驗(yàn)，認(rèn)為P值小于0．05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。其中采用的對(duì)比度的計(jì)算公式。為研究低場(chǎng)下三維UTE對(duì)欠采樣的容忍度，用四分之一、二分之一以及全部的采樣數(shù)據(jù)分別進(jìn)行圖像重建，分別對(duì)應(yīng)滿足奈奎斯特采樣定理所需的采樣數(shù)據(jù)量的5％、10％及20％。同樣地，在計(jì)算出的R2＊圖像中分別測(cè)量跟腱與骨髓的對(duì)比度，比較其差別。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1顯示了用不同采集與讀出梯度延時(shí)進(jìn)行重建的結(jié)果，從左至右分別為沿x軸、y軸和z軸的延時(shí)產(chǎn)生的結(jié)果，也就是沿三個(gè)不同方向的圖像。第一行是參數(shù)調(diào)節(jié)的最優(yōu)結(jié)果，對(duì)應(yīng)較為準(zhǔn)確的延時(shí)時(shí)間，這些圖像邊緣清晰，水模或橡皮內(nèi)部亮度均勻。第二行是用較長(zhǎng)的延時(shí)參數(shù)得到的圖像，第三行則是用較短的延時(shí)參數(shù)得到的圖像，兩者與上述準(zhǔn)確延時(shí)都相差10μs。在這些延時(shí)不準(zhǔn)確的圖像中，水模的邊緣都產(chǎn)生了偽影，或表現(xiàn)為錯(cuò)誤的邊緣增強(qiáng)，或表現(xiàn)為空氣中出現(xiàn)信號(hào)。可以發(fā)現(xiàn)，微小的延時(shí)在三維UTE成像中會(huì)造成較大的差別，而在傳統(tǒng)的梯度回波或自旋回波圖像中，長(zhǎng)達(dá)幾百微秒的延時(shí)都不會(huì)對(duì)圖像產(chǎn)生明顯影響。

用不同回波計(jì)算R2＊圖像的結(jié)果顯示在圖2中，三名被試的圖像被分別顯示在三行。第一列展示了包含跟腱在內(nèi)的腳踝的橫截面圖像，TE為0．14ms，可以清晰地看到腳踝的解剖結(jié)構(gòu)，脛骨腓骨的骨密質(zhì)亮度較低，而跟腱的亮度較高，說(shuō)明跟腱的信號(hào)確實(shí)被探測(cè)到了。余下四列分別為R2＊圖像1～4，在這些圖像中包括跟腱、脛前肌腱、脛后肌腱、骨密質(zhì)在內(nèi)的短T2組織得到了增強(qiáng)，而肌肉、骨髓等長(zhǎng)T2組織得到了抑制。脛骨肌腱在原始圖像中與周?chē)募∪饨M織亮度差別不大，難以分辨，在R2＊圖像中則可以很容易地被分辨出來(lái)。R2＊圖像1中長(zhǎng)T2組織的區(qū)域相較其他圖像抑制得不均勻；R2＊圖像4中，對(duì)長(zhǎng)T2組織的抑制程度不夠。

表1顯示了圖2中所有圖像的跟腱與骨髓的對(duì)比度，所有R2＊圖像的對(duì)比度都要明顯高于原始圖像（P＜0．01）。用第三、第四個(gè)回波計(jì)算得到的R2＊圖像2和3顯示出較高的對(duì)比度。除了R2＊圖像2和3之間對(duì)比度未見(jiàn)明顯差異（P＞0．05），其它圖像兩兩之間對(duì)比度均存在明顯差異（P＜0．01）。圖3為被試2不同程度欠采樣的結(jié)果。從左到右分別為用20％、10％、5％的滿足奈奎斯特采樣定理所需的數(shù)據(jù)量進(jìn)行重建得到的第一個(gè)回波的圖像，比較可以發(fā)現(xiàn)，隨著參與重建的k空間數(shù)據(jù)減少，圖像雖然沒(méi)有出現(xiàn)傳統(tǒng)意義上的卷繞，但變得更為模糊，組織邊界難以分辨，在骨密質(zhì)處尤為嚴(yán)重。圖3中的下行則顯示了對(duì)應(yīng)的R2＊圖像3，在由5％數(shù)據(jù)得到的圖像中由于嚴(yán)重的模糊，骨密質(zhì)、肌腱甚至跟腱都難以分辨，直接影響了UTE技術(shù)對(duì)短T2組織的成像能力。這三幅R2＊圖像中跟腱與骨髓的對(duì)比度分別為0．891、0．788和0．707。

3討論

理論上隨著主磁場(chǎng)的降低，組織的T2＊會(huì)緩慢地增大，因此短T2組織發(fā)出的信號(hào)在低場(chǎng)下應(yīng)更易探測(cè)。然而低場(chǎng)的磁共振系統(tǒng)通常相較高場(chǎng)系統(tǒng)具有較低的硬件性能，這給低場(chǎng)下實(shí)現(xiàn)非傳統(tǒng)序列帶來(lái)了許多困難。再加上圖像的信噪比與磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)成正比關(guān)系，更加劇了對(duì)低場(chǎng)下短T2組織成像的困難，因此適當(dāng)?shù)膮?shù)選擇更顯得尤為重要。相比二維成像，三維圖像能夠提供更豐富的組織信息，分辨率更高，并且可以從任意方向觀察圖像。三維UTE成像更大的優(yōu)勢(shì)在于渦流對(duì)圖像幾乎沒(méi)有影響，因?yàn)樯漕l激發(fā)并不需要伴隨的層選梯度，采集時(shí)也就不存在渦流的影響。此外，三維UTE圖像中來(lái)自層外的干擾也很少，F(xiàn)OV之外的信號(hào)在采集時(shí)會(huì)被濾除。

在傳統(tǒng)的磁共振均勻采樣中，采樣與讀出梯度間的延時(shí)會(huì)產(chǎn)生k空間的回波位移，對(duì)應(yīng)圖像上沿讀出方向的線性相位。這一相位可以很容易地被檢測(cè)和校正，當(dāng)只用到幅值圖像時(shí)甚至可以直接忽略。而UTE成像中，在非均勻采集的k空間內(nèi)，每次延時(shí)造成的位移均在不同方向，且每條軌跡都從k空間中心開(kāi)始，因此微小的延時(shí)會(huì)導(dǎo)致十分明顯的偽影產(chǎn)生。本文的結(jié)果也說(shuō)明在UTE成像中，這一延時(shí)需要被仔細(xì)校準(zhǔn)。

采集兩個(gè)時(shí)刻的回波并計(jì)算它們的差值圖像是一種簡(jiǎn)單有效的提高短T2組織相對(duì)于長(zhǎng)T2組織對(duì)比度的方法，但R2＊圖像更直接地反映了組織的屬性，不受組織質(zhì)子密度不同的影響。相比于采用預(yù)飽和或反轉(zhuǎn)脈沖技術(shù)抑制長(zhǎng)T2組織，計(jì)算R2＊圖像的方法不需要對(duì)序列進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。參與計(jì)算R2＊圖像的回波數(shù)目越多，R2＊圖像的結(jié)果越準(zhǔn)確，然而所需要的掃描時(shí)間也會(huì)按比例增加，因此本文只用了最少的回波數(shù)進(jìn)行計(jì)算。本文中得到的R2＊圖像中組織的對(duì)比度比原始圖像有了顯著的提高。當(dāng)兩個(gè)回波相距太近時(shí)，R2＊圖像顯得噪聲較大，不易分辨短T2組織。而當(dāng)兩個(gè)回波相距太遠(yuǎn)時(shí)，對(duì)長(zhǎng)T2組織的抑制則較弱，使得組織對(duì)比度不夠大。因此選擇一個(gè)適合待成像的短T2組織的TE是十分重要的。在三維徑向采樣中，為縮短掃描時(shí)間通常都需要進(jìn)行欠采樣。欠采樣在傳統(tǒng)均勻采樣的圖像中會(huì)引起卷繞，而在徑向采樣的圖像中引起的是條紋狀偽影，因此適度的欠采樣可以在犧牲較少圖像質(zhì)量的情況下大大減少掃描時(shí)間［13］。但在三維UTE中過(guò)度的欠采樣導(dǎo)致的模糊會(huì)直接影響增強(qiáng)圖像中短T2組織的顯示，因此在選擇欠采樣程度時(shí)也需要慎重考慮。

4結(jié)論

本文結(jié)果顯示了選擇合適的采樣與讀出梯度延時(shí)、計(jì)算R2＊圖像的TE以及欠采樣率的重要性，通過(guò)合理的參數(shù)選擇，可以在低場(chǎng)上實(shí)現(xiàn)三維UTE序列，對(duì)短T2組織進(jìn)行成像。

作者：黃預(yù)立 杜一平 單位：浙江大學(xué) 生物醫(yī)學(xué)工程與儀器科學(xué)學(xué)院