超短回波時間磁共振成像的優化范文

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《生物醫學工程學雜志》2015年第六期

摘要：

傳統磁共振序列回波時間至少為1ms，能夠形成良好的軟組織對比度。然而一些短T2組織由于衰減太快，在傳統磁共振圖像中呈現暗信號。近年來，超短回波時間序列因其對短T2組織的成像能力成為了磁共振領域的研究熱點，絕大多數研究是在高場下進行的，但在發展中國家仍有大量的低場磁共振系統在使用。本文在0．35T永磁磁共振系統中實現了三維超短回波時間序列，研究采樣與讀出梯度間的延時、參與計算R2＊圖像的回波時間和欠采樣率對結果的影響。通過改變成像和重建參數發現，采樣與讀出梯度間的微小延時會對原始圖像產生較大的影響；用不同時刻的回波圖像計算出的R2＊圖像也有較大的差別；而過度的欠采樣會直接影響對短T2組織的顯示。上述結果顯示了在低場下進行三維超短回波時間成像時選擇合適成像參數的重要性，通過選擇適當的參數，短T2組織可以在低場下得到成像。

關鍵詞：

磁共振成像；超短回波時間；短T2組織

傳統磁共振成像（magneticresonanceimaging，MRI）序列的回波時間（echotime，TE）通常在1ms及以上，能夠對人體內大多數軟組織形成良好的對比度，包括腦灰質、腦白質、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、肌腱、韌帶、半月板、牙質等等［2］。這些組織的T2在幾百微秒至幾毫秒之間不等，當k空間中心被采集時這些組織的信號已經衰減了很大部分甚至幾乎為零［3］。因此在傳統磁共振圖像中這些短T2組織通常呈現極弱甚至為零的信號。雖然在這種情況下仍然可以得到短T2組織與周圍組織在解剖結構上的相對位置信息，但短T2組織本身的結構、生理信息都被丟失了。

為了對短T2組織進行成像，研究人員提出了兩類方法：延長組織的T2或者縮短成像序列的TE。當肌腱組織與主磁場的角度從0°增大至55°時其T2值會由幾毫秒增大至二十多毫秒，55°角也因此被稱為“魔角”［4］。魔角成像無需對序列進行調整，但對被成像者的體位有一定要求［5］，并且能夠產生魔角效應的短T2組織也有限。變回波時間序列采用中心TE短、周圍TE長的方式縮短整個k空間的有效TE［6］，重建簡單，但能夠達到的TE仍在幾百微秒的數量級上。零回波時間序列從不關閉讀出梯度，能夠達到真正意義上的TE為零［7］，但是對系統要求很高，目前都只能在高場高性能磁共振系統中才能實現。三維超短回波時間（ultrashortechotime，UTE）成像利用短時硬脈沖進行全激發，激勵后馬上進行從中心開始的徑向半k空間軌跡采集，這種成像方式使得TE能夠達到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，能夠達到更高的空間分辨率，由于采集時間長也具有更高的信噪比。除了能夠對短T2組織進行成像，UTE技術還使得對短T2組織的定量測量成為可能［9］。因此，三維UTE成像技術成為了近年來的研究熱點，然而幾乎所有研究都是在高場下進行的。

考慮到在發展中國家仍有數量巨大的低場磁共振系統在使用，因而開展基于低場的UTE研究也是迫切需要的。本文在0．35T磁共振系統中實現了三維UTE序列，對跟腱進行成像。由于UTE序列從k空間中心開始徑向采樣的特殊性，UTE圖像對采樣與讀出梯度間的延時十分敏感［10］，因此采用不同的延時時間重建UTE圖像，確定最優的延時時間。為了突出顯示短T2組織，通常采用的方法是計算兩個回波圖像的差值圖像［11］，本文利用兩個回波直接計算R2＊圖像，改變回波時間，確定0．35T下跟腱成像的最優第二回波時間。在三維UTE采樣中，為縮短掃描時間往往采用欠采樣，徑向軌跡對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圖像進行重建，測試低場下UTE對欠采樣的容忍度。

1材料與方法

本文利用XGYMRIOPER－0．35T永磁磁共振系統（寧波鑫高益磁材有限公司）中的EVO譜儀（MRSolutions有限公司）提供的平臺實現了三維UTE序列，對人體跟腱進行成像。射頻硬脈沖持續時間為0．12ms，采樣帶寬40kHz，最短有效TE為0．14ms，重復時間（repetitiontime，TR）20ms，每個重復時間采集70個采樣點。所有圖像的重建都采用網格化法（gridding）。對采集與讀出梯度間延時的微調是在水模以及橡皮上進行的。兩個字母形狀的水模和一個瓶狀水模中注有硫酸銅溶液，模擬長T2組織，兩塊不同種類的橡皮模擬短T2組織。視野（fieldofview，FOV）在三個方向上都為160mm，分辨率在三個方向上相同，為1．25mm，激勵脈沖翻轉角為35°，共采集10287條半k空間軌跡，重建矩陣為邊長128像素的立方體，掃描時間為206s。調節采集與讀出梯度間的延時參數重建圖像，調節的步長為10μs，通過比較不同延時對應的圖像可以得到最優的延時參數。

本文對三名健康被試（男性一人，女性兩人，22～25歲）進行了在體三維UTE成像實驗，用頭線圈接收腳踝部的磁共振信號。射頻激勵翻轉角為25°，其余成像參數與水模實驗相同。共采集了5個不同時刻的回波，TE分別為0．14、1．14、2．64、4．14以及6．14ms，總掃描時間為17．2min。為了抑制長T2組織在圖像中的亮度，實驗中用兩個回波計算R2＊圖像的方法增強短T2組織相對于長T2組織的對比度。由于噪聲的存在，用不同回波時間的圖像計算R2＊圖像得到的結果會有所不同，選擇最佳的回波時間需要已知噪聲大小以及組織的T2＊。由于跟腱在0．35T低場下的T2＊未知，因此比較了不同回波計算得到的增強結果。以第一個回波作為原始圖像，用第一、二個回波計算R2＊圖像1，第一、三個回波計算R2＊圖像2，第一、四回波計算R2＊圖像3，第一、五回波計算R2＊圖像4。在每幅圖像中計算跟腱與骨髓的對比度，并進行了兩兩之間的t檢驗，認為P值小于0．05為差異有統計學意義。其中采用的對比度的計算公式。為研究低場下三維UTE對欠采樣的容忍度，用四分之一、二分之一以及全部的采樣數據分別進行圖像重建，分別對應滿足奈奎斯特采樣定理所需的采樣數據量的5％、10％及20％。同樣地，在計算出的R2＊圖像中分別測量跟腱與骨髓的對比度，比較其差別。

2實驗結果

圖1顯示了用不同采集與讀出梯度延時進行重建的結果，從左至右分別為沿x軸、y軸和z軸的延時產生的結果，也就是沿三個不同方向的圖像。第一行是參數調節的最優結果，對應較為準確的延時時間，這些圖像邊緣清晰，水模或橡皮內部亮度均勻。第二行是用較長的延時參數得到的圖像，第三行則是用較短的延時參數得到的圖像，兩者與上述準確延時都相差10μs。在這些延時不準確的圖像中，水模的邊緣都產生了偽影，或表現為錯誤的邊緣增強，或表現為空氣中出現信號。可以發現，微小的延時在三維UTE成像中會造成較大的差別，而在傳統的梯度回波或自旋回波圖像中，長達幾百微秒的延時都不會對圖像產生明顯影響。

用不同回波計算R2＊圖像的結果顯示在圖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構，脛骨腓骨的骨密質亮度較低，而跟腱的亮度較高，說明跟腱的信號確實被探測到了。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、骨密質在內的短T2組織得到了增強，而肌肉、骨髓等長T2組織得到了抑制。脛骨肌腱在原始圖像中與周圍的肌肉組織亮度差別不大，難以分辨，在R2＊圖像中則可以很容易地被分辨出來。R2＊圖像1中長T2組織的區域相較其他圖像抑制得不均勻；R2＊圖像4中，對長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比度，所有R2＊圖像的對比度都要明顯高于原始圖像（P＜0．01）。用第三、第四個回波計算得到的R2＊圖像2和3顯示出較高的對比度。除了R2＊圖像2和3之間對比度未見明顯差異（P＞0．05），其它圖像兩兩之間對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據量進行重建得到的第一個回波的圖像，比較可以發現，隨著參與重建的k空間數據減少，圖像雖然沒有出現傳統意義上的卷繞，但變得更為模糊，組織邊界難以分辨，在骨密質處尤為嚴重。圖3中的下行則顯示了對應的R2＊圖像3，在由5％數據得到的圖像中由于嚴重的模糊，骨密質、肌腱甚至跟腱都難以分辨，直接影響了UTE技術對短T2組織的成像能力。這三幅R2＊圖像中跟腱與骨髓的對比度分別為0．891、0．788和0．707。

3討論

理論上隨著主磁場的降低，組織的T2＊會緩慢地增大，因此短T2組織發出的信號在低場下應更易探測。然而低場的磁共振系統通常相較高場系統具有較低的硬件性能，這給低場下實現非傳統序列帶來了許多困難。再加上圖像的信噪比與磁場場強成正比關系，更加劇了對低場下短T2組織成像的困難，因此適當的參數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成像更大的優勢在于渦流對圖像幾乎沒有影響，因為射頻激發并不需要伴隨的層選梯度，采集時也就不存在渦流的影響。此外，三維UTE圖像中來自層外的干擾也很少，FOV之外的信號在采集時會被濾除。

在傳統的磁共振均勻采樣中，采樣與讀出梯度間的延時會產生k空間的回波位移，對應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和校正，當只用到幅值圖像時甚至可以直接忽略。而UTE成像中，在非均勻采集的k空間內，每次延時造成的位移均在不同方向，且每條軌跡都從k空間中心開始，因此微小的延時會導致十分明顯的偽影產生。本文的結果也說明在UTE成像中，這一延時需要被仔細校準。

采集兩個時刻的回波并計算它們的差值圖像是一種簡單有效的提高短T2組織相對于長T2組織對比度的方法，但R2＊圖像更直接地反映了組織的屬性，不受組織質子密度不同的影響。相比于采用預飽和或反轉脈沖技術抑制長T2組織，計算R2＊圖像的方法不需要對序列進行重新設計。參與計算R2＊圖像的回波數目越多，R2＊圖像的結果越準確，然而所需要的掃描時間也會按比例增加，因此本文只用了最少的回波數進行計算。本文中得到的R2＊圖像中組織的對比度比原始圖像有了顯著的提高。當兩個回波相距太近時，R2＊圖像顯得噪聲較大，不易分辨短T2組織。而當兩個回波相距太遠時，對長T2組織的抑制則較弱，使得組織對比度不夠大。因此選擇一個適合待成像的短T2組織的TE是十分重要的。在三維徑向采樣中，為縮短掃描時間通常都需要進行欠采樣。欠采樣在傳統均勻采樣的圖像中會引起卷繞，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量的情況下大大減少掃描時間［13］。但在三維UTE中過度的欠采樣導致的模糊會直接影響增強圖像中短T2組織的顯示，因此在選擇欠采樣程度時也需要慎重考慮。

4結論

本文結果顯示了選擇合適的采樣與讀出梯度延時、計算R2＊圖像的TE以及欠采樣率的重要性，通過合理的參數選擇，可以在低場上實現三維UTE序列，對短T2組織進行成像。

作者：黃預立 杜一平 單位：浙江大學 生物醫學工程與儀器科學學院