雙梯度磁共振系統(tǒng)梯度模式選擇的策略

倪萍，陳自謙，張魯閩,馬繼民

南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科；b.醫(yī)學(xué)影像中心，福建 福州 350025

雙梯度磁共振系統(tǒng)梯度模式選擇的策略

倪萍a，陳自謙b，張魯閩a,馬繼民a

南京軍區(qū)福州總醫(yī)院 a.醫(yī)學(xué)工程科；b.醫(yī)學(xué)影像中心，福建 福州 350025

雙梯度磁共振系統(tǒng)通過兩套獨(dú)立的梯度線圈設(shè)計(jì)，解決了快速掃描和大線性范圍的矛盾，使梯度性能大幅提高。本文介紹了雙梯度系統(tǒng)的工作原理，說明了梯度模式選擇的一般原則，快速穩(wěn)態(tài)進(jìn)動(dòng)序列以及采用過采樣技術(shù)時(shí)的梯度模式的選擇策略。

磁共振設(shè)備；雙梯度系統(tǒng)；圖像噪聲；質(zhì)量控制

1 雙梯度磁共振系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著各種磁共振設(shè)備的硬件和高級臨床應(yīng)用軟件的不斷創(chuàng)新，磁共振掃描的技術(shù)和臨床應(yīng)用都呈現(xiàn)加速發(fā)展的態(tài)勢。磁共振一直面臨臨床和科研領(lǐng)域的一些挑戰(zhàn)，如偽影問題、心臟等運(yùn)動(dòng)器官的成像、功能與分子影像等都逐漸得到解決，這些都離不開梯度系統(tǒng)性能的不斷提高。梯度強(qiáng)度、梯度切換率和爬升時(shí)間是梯度系統(tǒng)重要的性能指標(biāo)，它決定了最小層厚、最短的回波時(shí)間以及重復(fù)時(shí)間等，不僅影響成像時(shí)間，而且決定圖像的空間分辨率。梯度系統(tǒng)的發(fā)展主要朝著高線性與快速響應(yīng)的方向發(fā)展，以適應(yīng)快速掃描序列中梯度脈沖快速上升和翻轉(zhuǎn)的需要，目前，梯度強(qiáng)度已達(dá)到30～40mT/m，有的甚至達(dá)到60mT/m；梯度切換率達(dá)到200mT/m/s或更高[1-2]。

為了追求盡可能快的掃描速度，各個(gè)廠家都不斷提高梯度場的強(qiáng)度和切換率。由于梯度場的快速開關(guān)會(huì)對人體造成刺激，包括快速切換產(chǎn)生洛倫茲力帶來的強(qiáng)大噪聲，以及人體感應(yīng)電流對神經(jīng)末梢的電刺激等，因此，它的發(fā)展有個(gè)極限，必須在受檢者的生理忍受的安全極限之內(nèi)，圖1表示了梯度線圈長度和周圍神經(jīng)刺激（PNS）的安全范圍的關(guān)系。曲線下方代表臨床應(yīng)用的安全區(qū)域，線圈越 短，臨床檢查的安全范圍越大，也就是說對于較短的梯度線圈，可以實(shí)現(xiàn)較高的梯度性能。短梯度線圈高性能的同時(shí)安全性好，缺點(diǎn)是掃描范圍?。婚L梯度線圈掃描覆蓋范圍大，適合肥胖病人，但是受到安全限制無法使用高性能梯度。那么是不是有兩全之策？于是出現(xiàn)了雙梯度系統(tǒng)，就是在主梯度線圈內(nèi)增設(shè)一個(gè)較短的梯度線圈，可以根據(jù)需要分別工作，對于頭部和心臟等對掃描速度要求較高的小范圍檢查，使用短梯度線圈實(shí)現(xiàn)高性能；對于體部等掃描范圍較大的部位，特別是肥胖病人，則使用大的梯度線圈，這樣可以實(shí)現(xiàn)各自的功能。

圖1 梯度線圈長度范圍與周圍神經(jīng)刺激（PNS）曲線的關(guān)系

2 雙梯度系統(tǒng)工作原理

目前的雙梯度已出現(xiàn)3種形式：① 在磁體內(nèi)增加一套與主梯度不同的短梯度線圈，稱為非對稱式雙梯度。② 在磁體內(nèi)增加一套與主梯度相同的梯度線圈，稱為對稱式雙梯度。③ 在頭線圈或表面線圈上附加一個(gè)梯度線圈，稱之為復(fù)合的線圈系統(tǒng)，也稱其為組合線圈。它的梯度場可高達(dá)60mT /m、切換率超過400mT/m/s，特別適于在高場設(shè)備中實(shí)施功能成像。

雙梯度技術(shù)的采用，在實(shí)現(xiàn)最佳成像性能的同時(shí)大大提高了病人的流通量，革新的技術(shù)優(yōu)化了每一次掃描的時(shí)間、信噪比、分辨率和圖像質(zhì)量。使用者能在兩種梯度模式間自由切換（精細(xì)掃描和全身掃描），進(jìn)而提高空間分辨率、信噪比和掃描覆蓋范圍。不僅進(jìn)一步提了高梯度系統(tǒng)的性能，而且有效地減少了梯度場對人體的刺激，特別適合于頭部及心臟的功能性檢查。

3 梯度模式選擇的策略

雙梯度系統(tǒng)磁共振的應(yīng)用提高了系統(tǒng)的梯度切換率，進(jìn)一步縮短爬升時(shí)間，使得系統(tǒng)所能實(shí)現(xiàn)的各個(gè)序列的最短TR、TE時(shí)間進(jìn)一步縮短，提高了空間分辨率和時(shí)間分辨率，提升了磁共振在心血管系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)的應(yīng)用能力。在實(shí)際工作，雙梯度系統(tǒng)的應(yīng)用需要比常規(guī)的系統(tǒng)多一種考慮和選擇，只有真正的理解雙梯度系統(tǒng)地工作原理，并加以靈活應(yīng)用，才能充分發(fā)揮雙梯度系統(tǒng)的優(yōu)勢。

3.1 一般原則

GE公司在其新產(chǎn)品Signa TwinSpeed、Excite 系列磁共振系統(tǒng)中成功地應(yīng)用了這一技術(shù)。在兩套梯度系統(tǒng)中，一套為高梯度40mT/m和高切變率150 mT/(m×ms)的小梯度，專門用于高級心血管/神經(jīng)系統(tǒng)功能成像等高時(shí)間分辨率和一些以小視野（FOV）（內(nèi)耳等小器官）的高空間分辨率精細(xì)掃描，被稱為梯度的Zoom模式，它的Z軸覆蓋只有35cm線性范圍；另一套為低梯度場（23mT/m）和低切換率[80 mT/(m×ms) ]的大梯度，主要用于腹部、脊柱等大范圍成像，稱為Whole模式，Z軸覆蓋達(dá)到48cm線性范圍。兩套梯度是分別工作的，掃描時(shí)在梯度切換柜的控制下可在兩種模式間自由切換，共用一個(gè)梯度功率放大器。

從掃描部位來說，心臟掃描時(shí)為了克服運(yùn)動(dòng)偽影，必須采用高性能梯度和快速成像序列，如FIESTA、FGR等。血氧水平依賴功能磁共振成像BOLD-fMRI和彌散加權(quán)成像DWI等高級腦功能成像也要求有很高的梯度切換率，才能達(dá)到一定的時(shí)間分辨率[3-4]。高級的神經(jīng)血管成像、內(nèi)耳成像等，要求有極高的空間分辨率，因此，它們都必須采用高性能的Zoom梯度模式，在較高的時(shí)間和空間分辨率的同時(shí)，短梯度線圈減少對病人的周圍神經(jīng)刺激。脊柱、肩關(guān)節(jié)、腹部、四肢的冠狀位和矢狀位等為了實(shí)現(xiàn)大范圍掃描，一般采用Whole梯度模式，即可以滿足臨床需求，而且梯度的線性范圍大，圖像變形小。

從脈沖序列來說，常規(guī)的自旋回波SE、快速自旋回波FSE、梯度回波GRE、平面回波成像EPI對梯度性能沒有特別高的要求，軸位掃描時(shí)可以靈活選擇梯度模式。冠狀位和矢狀位的掃描可以選擇Whole梯度模式，以獲得較大的掃描范圍和較好的線性，減少圖像失真，特別是Z軸的偏中心掃描時(shí)必須采用Whole梯度模式，以免成像部位超出線性梯度的覆蓋范圍，造成圖像失真以及非線性偽影。對于快速掃描序列以及薄層掃描序列，如快速梯度回波FGRE、彌散加權(quán)成像DWI、快速EPI、單次激發(fā)快速自旋回波SSFSE等，必須采用Zoom模式才能獲得較短的回波時(shí)間和重復(fù)時(shí)間，滿足空間和時(shí)間分辨率的要求[5]。

3.2 快速穩(wěn)態(tài)進(jìn)動(dòng)序列的梯度選擇

快速穩(wěn)態(tài)進(jìn)動(dòng)采集成像（Fast Imaging Employing STeadystate Acquisition，F(xiàn)IESTA）是一種真正的平衡穩(wěn)態(tài)脈沖序列，選層梯度和讀出梯度均采用1-2-1平衡設(shè)計(jì)，使相位完全重聚，不存在勻速流動(dòng)相關(guān)的失相位，使CSF和血流信號(hào)增強(qiáng)。

采用極短的重復(fù)時(shí)間TR，要求TR遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于組織的T2，掃描速度非?？欤瑱M向和縱向磁化矢量都對信號(hào)作出貢獻(xiàn)，SNR高而不受短TR影響。該序列具有特殊的對比度，腦脊液、水、脂肪表現(xiàn)為高信號(hào)，骨骼肌、心肌表現(xiàn)為低信號(hào)。2D FIESTA可用于心臟電影成像和腹部屏氣掃描，3D FIESTA可用于胰膽管成像、內(nèi)耳道成像、阻塞性腦積水和椎間盤脫出的成像[6]。

BH FIESTA序列對梯度的性能要求很高，只有高性能的梯度才能獲得好的圖像，要求采用盡可能短的TR、TE，即采用精細(xì)掃描模式。梯度Whole的最短TR為5.3ms、TE為1.8 ms；梯度Zoom的最短TR為3.2 ms、TE為1.4 ms，

一般的頭部、心臟等部位掃描可以直接將梯度模式設(shè)為Zoom。FIESTA用于腹部冠狀位掃描時(shí)，采集范圍FOV最好小于35cm，這樣可以用Zoom模式，縮短TR、TE。用Whole模式會(huì)造成TR、TE延長，層厚變厚，圖像信噪比減低，而且容易引入偽影（圖2）。

圖2 FIESTA序列下的不同梯度模式掃描圖像

3.3 過采樣時(shí)梯度模式的選擇

只要解剖結(jié)構(gòu)大于FOV時(shí)，來自FOV之外的信號(hào)經(jīng)過圖像重建后出現(xiàn)在其實(shí)際位置的對側(cè)，出現(xiàn)卷褶偽影（圖3）。

這是由于機(jī)器所發(fā)出RF脈沖的同時(shí)也激活了興趣區(qū)以外的原子核，而機(jī)器不能識(shí)別帶寬以外的頻率，任何超出范圍外的頻率將同帶寬內(nèi)的一個(gè)頻率相“混疊”，從而使它們發(fā)射出來的信號(hào)具有相同的相位，系統(tǒng)對這些數(shù)據(jù)加以收集并對此信號(hào)產(chǎn)生錯(cuò)誤映射[7]。

通常采用無相位卷褶（NPW）來防止卷褶偽影，有的廠家稱之為過采樣 （Oversampling）。使用此項(xiàng)技術(shù)后，系統(tǒng)采樣時(shí)會(huì)自動(dòng)將FOV擴(kuò)大1倍，包含全部解剖學(xué)結(jié)構(gòu)，重建時(shí)系統(tǒng)僅重建圖像中間的一半，丟棄指定FOV以外的區(qū)域采集的數(shù)據(jù)。采用過采樣技術(shù)時(shí)FOV和相位編碼的步驟數(shù)目都會(huì)增加1倍，所以像素尺寸會(huì)保持不變，相位編碼數(shù)目增加1倍就會(huì)使采集時(shí)間增加1倍，所以把激勵(lì)次數(shù)減半，因此，分辨率、信噪比或采集時(shí)間都保持不變[8-9]。

圖3 過采樣技術(shù)掃描圖像

采用過采樣技術(shù)后，實(shí)際采集的FOV是設(shè)定FOV的2倍。因此，要求Z軸有更大線性范圍，所以必須采用大范圍的Whole模式，否則容易產(chǎn)生非線性偽影。最常見于脊柱和盆腔的矢狀位掃描，如果按照常規(guī)相位編碼設(shè)為前后，腹壁運(yùn)動(dòng)或腦脊液搏動(dòng)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的運(yùn)動(dòng)偽影。為了克服偽影必須將相位編碼方向設(shè)為頭腳方向，這樣相位編碼方向解剖結(jié)構(gòu)大于FOV，造成了相位方向的卷褶偽影，因此，必須加過采樣技術(shù)，需要選擇大范圍的Whole梯度模式，而且FOV不能太大，以免2倍的FOV超出Whole梯度模式所能提供的48cm線性范圍，產(chǎn)生非線性偽影（圖4）。注：a 相位編碼為前后，造成腹壁運(yùn)動(dòng)偽影；b 相位編碼為上下，解剖結(jié)構(gòu)大于FOV，產(chǎn)生卷褶偽影；c 梯度Zoom模式，線性范圍小，產(chǎn)生非線性偽影；d 相位編碼頭腳，梯度Whole模式，適當(dāng)?shù)腇OV，圖像理想。

圖4 盆腔掃描圖像

4 結(jié)束語

高性能設(shè)備不一定就會(huì)有好的圖像，還需要使用人員對設(shè)備性能和新技術(shù)的充分理解，才能正確地應(yīng)用于臨床得到好圖像，解決臨床診斷的難題。對于雙梯度磁共振系統(tǒng)來說，如果沒有理解雙梯度的原理，沒有掌握成像參數(shù)的意義，就無法正確選擇梯度模式，那么雙梯度磁共振不僅沒有帶來人們所期待的良好結(jié)果，反而會(huì)造成各種圖像偽影。只有在充分理解的基礎(chǔ)上進(jìn)行掃描序列和參數(shù)的最優(yōu)化，才能得到優(yōu)質(zhì)的圖像，滿足臨床診斷的要求[10]。

在這方面，臨床工程師負(fù)有很大的責(zé)任，除了保障設(shè)備硬件性能處于良好工作狀態(tài)外，還需要對新技術(shù)進(jìn)行不斷地推廣宣教，讓醫(yī)生和技術(shù)員真正理解，直至用好新技術(shù)，使設(shè)備各項(xiàng)性能得到充分的發(fā)揮。

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Strategy of Choice of Gradient Mode of Twinspeed Gradient MRI

NI Pinga, CHEN Zi-qianb,ZHANG Lu-mina, MA Ji-mina
a.Medical Engineering Department;b.Medical Image Center, Fuzhou Genneral Hospital of Nanjing Military Region of PLA,Fuzhou Fujian 350025, China

By two independent gradient coils, twinspeed Gradient MRI solved the contradiction of fast scan and large FOV. The article introduced the principle of twinspeed gradient, and the strategy of choice of gradient mode.

MRI; dual gradient system; image noise; quality control

R445.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.060

1674-1633(2011)10-0151-04

2011-02-28

2011-09-19

福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2009J01187）；福建省科學(xué)發(fā)展計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（2009Y0037）。

作者郵箱：nping6@sohu.com