基于磁共振弛豫時間實現加權像和壓脂技術

尹朝陽,孫駿力,姚紅英

(復旦大學 物理學系,上海 200433)

磁共振成像是根據生物磁性核(如氫核)在磁場中表現的共振特性進行成像的新技術. 1973年,美國科學家Paul Lauterbur首次得到核磁共振圖像,隨后英國科學家Peter Mansfield又進一步驗證和改進了這種方法,并將其定量化,從此磁共振成像(MRI)成為核磁共振技術的一個重要分支,得到了空前的發展[1]. 隨著磁體技術、超導技術、低溫技術、電子技術和計算機技術等相關技術的不斷進步,MRI技術得到了飛速發展,如今不僅在現代醫學影像領域中大放異彩,在食品、石油測井等工業領域以及材料科學等領域都有廣泛的應用. 弛豫時間是MRI中的重要物理量[2-4],利用樣品的不同弛豫特性,可以通過調節序列參數實現加權成像,也可以得到不同組織成分的相關信息.

MRI基于物理現象核磁共振和它的理論基礎,是物理理論和技術在醫學等領域的重要應用,為此在近代物理實驗加入了磁共振成像的內容,可讓本科生對新技術、新儀器、新設備有所了解,開闊眼界. 此教學內容也在醫學物理實驗中開展,根據不同的課時設計不同的內容,本工作是學生在醫學物理實驗設計性、研究性實驗教學模塊所做的,可以讓學生深入理解弛豫時間及其應用和反轉恢復序列成像及加權像.

本文通過使用磁共振成像儀,進行樣品的縱、橫向弛豫時間的測量,并實現樣品不同組織在磁共振成像過程中的區分,以及實現磁共振抑制脂肪技術.

1 原理

1.1 核磁共振

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

當核自旋系統處在z方向的外磁場Bz中時,角動量J和磁矩μ以角頻率ω0=γBz繞Bz方向進動,這種進動稱為拉莫爾進動,同時引起核能級的劈裂. 此時若在垂直于外磁場Bz的方向上施加一個角頻率為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,布洛赫提出用體磁化強度M來描述原子核系統被磁化的程度.M定義為單位體積內N個核磁矩的矢量和,即

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

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

圖2 體磁化強度M在共振躍遷過程中的運動軌跡跡,從z軸向xy平面翻轉

射頻脈沖的能量不同可以使M翻轉到不同的位置,剛好使M翻轉到xy平面的脈沖叫90°脈沖,使M翻轉到負z軸方向的脈沖叫180°脈沖. 當射頻脈沖停止施加,由于Bz的作用,M又會恢復到平衡態M0處,這個過程為弛豫過程,是復雜的能量交換過程. 其中自旋-自旋的相互作用可以對應到磁化強度橫向分量Mxy的變化,稱為橫向弛豫,對應的時間為橫向弛豫時間T2. 自旋-晶格的相互作用可以對應到磁化強度縱向分量Mz的變化,稱為縱向弛豫,對應的時間為縱向弛豫時間T1.T2和T1這兩個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的影響而弱化其他參數的影響,即加權像,比如質子密度加權像、T2加權像和T1加權像.

本文采用的核磁共振成像技術實驗儀所施加的軟脈沖對應的頻帶較窄[5],只能激發較小進動頻率范圍的質子,選擇性較好,通常用于成像.

1.2 弛豫時間

弛豫是粒子受到激發后,以非輻射的方式回到基態而達到玻爾茲曼平衡的過程. 弛豫過程中,同時而又獨立地發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由小恢復到M0的63%時所需的時間,稱為縱向弛豫時間,反映自旋系統粒子數差從非平衡態恢復到平衡態的特征時間常數.xy平面的橫向磁化矢量Mxy由大衰減到M0的37%時所需的時間,稱為橫向弛豫時間,即相位一致的氫質子磁矩發生相位離散,進而導致失相位,表征由于非平衡態進動位相相關產生的不為零的磁化強度橫向分量恢復到平衡態時相位無關(相位隨機分布)所需要的特征時間.

對于多成分樣品,不同成分的弛豫特性不同,往往會有不同的縱向、橫向弛豫時間,基于此可以實現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行信號抑制或加強.

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展變化而來的. 其原理如圖3[5]所示.

圖3 自旋回波序列時序原理圖(圖中橫軸為時間軸,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,出現回波信號時采樣.)

在每個周期內,自旋回波的產生和采樣過程為“90°脈沖—τ時間—180°脈沖—τ時間—采樣”. 在樣品線圈里感應出“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核磁矩進動的局域場隨機波動的影響,使磁化強度的幅度稍有損失,回波信號正是我們所關注和需要采集的. 信號的強度表達式為[5]

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

(2)

其中TR是脈沖序列重復時間,TE是回波時間,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間.

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

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

IRSE序列先施加180°脈沖,使縱向磁化矢量Mz=+M0反轉到Z軸的負方向變為Mz=-M0,然后Mz以T1時間常數進行自由弛豫向+M0恢復,經過一段時間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據. 其中第一個180°脈沖與90°脈沖之間的時間間隔記為反轉時間TI.

1.5 自旋回波序列加權像

由公式2可知,通過改變脈沖序列重復時間TR和回波時間TE可以改變信號幅值,進而改變樣品組織在圖像上的灰度. 因此,參數加權圖像即為通過選擇合適的TR和TE,來實現該參數對樣品組織最終信號的影響權重,以突出或者強調該參數對圖像的影響.

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

當回波時間很短,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子密度的影響,還受到組織T1的影響,隨著TR時間的縮短,T1的影響程度增大,故稱為T1加權像T1W1.

當脈沖序列重復時間TR很長,即TR>>T1時,1-e-TR/T1≈1;當回波時間不短時,T1對信號的影響近似為1,最終信號強度:

SSE=AN(H)e-TE/T2

(4)

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

1.6 磁共振脂肪抑制技術

脂肪抑制技術是MRI 檢查中非常重要的技術,合理利用脂肪抑制技術不僅可以明顯改善圖像的質量(如防止水脂肪信號重疊引起的偽影),發現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上也呈現較高信號,即無論選擇突出哪個參數進行加權成像,脂肪信號都會呈現高亮度,從而影響對其它組織的分析,此時需要對脂肪信號進行抑制.

本文通過反轉恢復成像序列實現對脂肪的抑制. 在反轉恢復成像序列中,設置TR>>T1,使得每采集完一個回波,Mz盡量恢復到+M0,從而不產生殘余的橫向磁化強度. 在施加90°脈沖之前,磁共振信號的縱向磁化分量以T1為時間常數從-M0向+M0進行弛豫,弛豫過程模擬如圖5所示.

圖5 反轉恢復序列施加第一個180°脈沖后的弛豫曲線

其表達式可寫為

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時進行,則脂肪對縱向磁化矢量沒有貢獻,無法在數據采集時產生信號,即脂肪信號在成像過程中得到抑制.TI是實現影響脂肪抑制效果的關鍵參數,根據公式(5),只要TI=T1ln 2,則脂肪信號在采集時為0,得到抑制和去除.

2 方法及結果

本文所用儀器為紐邁科技磁共振成像譜儀,如圖6所示. 圖中左側為磁體系統(樣品試管放在磁體中央);中間為電腦顯示器;右側從上往下依次為譜儀系統、主機、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. 為保證磁場的穩定性,永磁鐵恒溫在32 ℃,溫度由程序控溫表頭在射頻單元中顯示. 實驗樣品為水、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. 另外實驗儀器配有相應的核磁共振分析應用軟件、核磁共振成像軟件.

圖6 磁共振成像實驗儀器

2.1 弛豫時間的測量

本文用CPMG序列測量橫向弛豫時間T2;用反轉恢復IR序列測量縱向弛豫時間T1.

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

圖7 CPMG序列示意圖

圖8 反演曲線示意圖

反轉恢復IR序列由180°脈沖和90°脈沖組成,IR序列脈沖時序如圖9所示. 首先施加180°脈沖,使M翻轉到負z軸,脈沖關閉之后M進行弛豫. 在弛豫過程中產生了縱向分量Mz,當要測量縱向分量Mz時,用90°脈沖把它翻轉到xy平面,馬上進行測量,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刻Mz的值. 根據樣品不同的縱向弛豫時間,設定不同的時間間隔DL1和采集數據個數,比如采集20個或者30個數據點,按照指數增加的規律對數據進行反演,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成分的縱向、橫向弛豫時間,如表1所示.

表1 相關成分的縱向T1、橫向T2弛豫時間

圖9 反轉恢復序列示意圖

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,測量弛豫時間取平均值得到脂肪和瘦肉的縱向和橫向弛豫時間,以減小實驗誤差.

可以發現,成分的縱向弛豫時間T1均大于橫向弛豫時間T2. 因為T2是總磁化矢量M在XY平面的分量的衰減過程,當總磁化矢量弛豫到接近熱力學平衡態的時候,XY平面的磁化量已經弛豫到0,質子群內部能量交換達到平衡,T2衰減已結束,而此時縱向磁化分量仍在與外界晶格進行熱交換,未弛豫到最大值,即仍然在進行T1弛豫[1].

2.2 實現加權像并區分水-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,使兩者不會混合到一起.

選擇SE成像序列,按照成像的三個標準步驟1-PRESCAN、2-SOUT、3-SCAN進行成像. 選取xz層面進行成像,調節選層位置位于樣品中央,層厚不要太大,防止部分容積效應而導致的MRI的層間污染,空間分辨率的下降[8]. 這是因為雖然層厚增加時,相對于較小的層厚,體素內質子數量增加,信號強度增加,圖像的信噪比將會增加,圖像的表觀改善,但是在4 mm以下時,空間分辨率還是主要取決于部分容積效應的影響,即空間分辨率與層厚成負相關.

先做T1加權像,此時要求回波時間TE<

將成像軟件中的共振頻率調節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時改變TR得到的T1加權像(從左往右、從上至下依次為TR為100、150、300、600、1 200、2 500 ms)

可以發現,T1加權像中,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,大豆油的信號強度始終大于水的信號強度. 此外,由于TR的初始值100 ms已經接近大豆油的T1(152 ms),大豆油已經基本完成弛豫,故大豆油的亮度基本不發生變化;而水在該參數下還沒有完成弛豫,且隨著TR的增大,水的信號強度增大,則在成像上反映為亮度增強,與實驗結果一致.

再做T2加權像,此時要求脈沖序列重復時間很長,即TR>>T1,弱化縱向弛豫的影響,而回波時間TE不短,體現橫向弛豫的影響.

由于水的T1較長,這里設置TR遠大于大豆油T1=152 ms,主要來分析大豆油的T2加權像. 先用核磁共振分析軟件得到大豆油樣品的共振頻率,并在成像軟件中設置為激發脈沖的中心頻率. 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時改變TE得到的T2加權像(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加權像中,隨著TE的增大,大豆油的信號強度逐漸減小直至減為0,這與實驗結果一致.

然而,從橫向弛豫曲線中可以看到,在T2加權像中,水的信號強度應始終大于大豆油的信號強度,且在選擇的掃描參數下(TE最大為300 ms),認為水的信號強度基本不變,所以期望成像時,左半部分(水的部分)應當亮度始終為最大,且基本不變,但是從圖12中可以看到,水的亮度有一定變化,甚至會大于大豆油部分的亮度.

這是因為之前設置TR時,主要關注大豆油的T1加權像,設置了TR為2 500 ms,遠大于大豆油的T1,卻不滿足遠大于水的T1,此時與T2加權像的理論公式(4)不符合. 重新回到原始公式(2),將水的T1=2 477 ms代入調節T1參數權重的項,計算得1-e-TR/T1≈0.636(TR=2 500 ms);將水的T2=1 874 ms代入調節T2參數權重的項,計算得e-TE/T2的變化范圍為0.852～0.989,此時對于水,T1參數權重較大,磁共振成像不滿足T2加權像的條件,T1導致的圖像亮度改變需要考慮,縱向分量在弛豫中恢復的程度和橫向分量在弛豫中衰減的程度二者相結合對信號強度的產生的影響,水的亮度從左起1、2、3依次變量到4又變暗.

2.3 基于IR成像序列實現脂肪抑制

對于脂肪-瘦肉樣品不僅實現不同成分組織圖像的區分,而進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加權像還是T2加權像,脂肪的信號都顯著強于瘦肉. 所以我們采用反轉恢復自旋回波序列來實現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

為實現脂肪信號的抑制,使用IRSE反轉恢復自旋回波成像序列成像. 由公式5,為消除脂肪信號,設置反轉時間TI=T1ln 2=92 ms(這里的T1為脂肪的縱向弛豫時間132 ms),由于脂肪的T1比瘦肉的小,其縱向分量先衰減到0,此時瘦肉的縱向分量還未衰減到0,仍參與后續成像. 設置TR=2 400 ms保證其遠大于T1,使得每采完一個回波,Mz盡量恢復到+M0,從而不產生殘余的橫向磁化強度分量. 設置TE=20 ms,使T2參數在成像中的權重接近于0. 設置在xz層面上進行掃描,按照成像的三個標準步驟1-PRESCAN、2-SOUT、3-SCAN進行成像.

測量結果如圖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可以發現,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度,此時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,下面調整參數TI進行成像質量的改善.

保持TR、TE不變,而只改變反轉時間TI為84 ms、88 ms、92 ms、96 ms、100 ms,分別用IR序列進行成像,結果如圖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,設置TI≈84～88 ms時,脂肪信號得到最佳的抑制效果,而非理論計算出的TI=92 ms. 即理論值相較于實際的TI偏大.

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

SIR(TI,TR,TE)=

(6)

代入實際實驗時TR和TE的值,計算得修正后的TI=91.629 ms,略小于之前的理論值TI=92 ms,但是仍然大于實際值88 ms.

再考慮自旋-晶格弛豫時間T1受溫度的影響. 在磁共振弛豫中,一般溫度上升,T1值延長. 實驗室的溫度約為25 ℃,肉類樣品從冷藏中取出,低于10 ℃,實驗儀器樣品室的溫度為32 ℃,實驗時對豬肉切割,分幾次測量,實驗也進行了幾個小時之久,所以對樣品的溫度控制得不是很好,因而也會對豬肉成像時的實際T1值有影響,導致理論預測值與實驗值有出入.

最后,仔細觀察圖像,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的軟脈沖序列頻帶寬度不夠窄,導致除脂肪信號外,瘦肉組織中一些與脂肪信號頻率相近的成分被激發參與抑制過程;以及由于IR序列的特性,某些被增強掃描的成分的T1值縮短到與脂肪組織相近,從而導致信號被抑制. 此時為實現磁共振抑制脂肪,可以采用頻率選擇飽和法(連續施加單一頻率的預脈沖使脂肪組織中的質子被連續激發達到飽和,從而在施加真正的激發射頻脈沖時不再接收能量而不產生信號)[7,8]等等其他壓脂方法.

3 結論

不同成分具有不同的縱向、橫向弛豫時間,一般情況下同一成分的縱向弛豫時間T1大于其橫向弛豫時間T2. 基于不同弛豫時間實現水-油樣品在磁共振成像中的區分,發現T1加權像要求回波時間TE<>T1而回波時間TE不很短. 在T1加權像中,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成像序列實現磁共振抑制脂肪技術,分析溫度等參數對抑制效果的影響. 在磁共振壓脂技術中,為確保成像質量,要求脈沖序列重復時間TR大于5～6個T1.