用永磁微型磁共振成像儀實驗討論拉鏈偽影*

仇 惠 胡明成 侯淑蓮 謝寰彤

(牡丹江醫(yī)學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157011)(牡丹江醫(yī)學(xué)院紅旗醫(yī)院 黑龍江 牡丹江 157011)(華北理工大學(xué)醫(yī)用物理教研室 河北 唐山 063009)(上海寰彤科教設(shè)備有限公司 上海 201806)(收稿日期：2016-05-04)

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用永磁微型磁共振成像儀實驗討論拉鏈偽影*

仇 惠 胡明成 侯淑蓮 謝寰彤

(牡丹江醫(yī)學(xué)院 黑龍江 牡丹江 157011)(牡丹江醫(yī)學(xué)院紅旗醫(yī)院 黑龍江 牡丹江 157011)(華北理工大學(xué)醫(yī)用物理教研室 河北 唐山 063009)(上海寰彤科教設(shè)備有限公司 上海 201806)(收稿日期：2016-05-04)

利用微型磁共振成像儀制作拉鏈偽影并研究了消除的基本方法通過解Bloch方程和建立物理模型進(jìn)行定性分析很好地解釋了實驗結(jié)果，并揭示了“K空間”的物理實質(zhì).

磁共振成像 拉鏈偽影 Bloch方程 自旋回波 K空間

我國從20世紀(jì)90年代中期以后，醫(yī)學(xué)和理工科院校逐步設(shè)立醫(yī)學(xué)影像相關(guān)專業(yè)，開設(shè)醫(yī)學(xué)影像物理學(xué)課程.成像的物理原理是物理與醫(yī)學(xué)的交叉學(xué)科，其中核磁共振成像相關(guān)理論與技術(shù)，是學(xué)習(xí)的重點與難點[1].特別是磁共振成像儀“大型、復(fù)雜、非常昂貴”曾在很長一段時間只講理論(抽象難懂)而無實驗可開設(shè).進(jìn)入20世紀(jì)，小型磁共振成像、波譜等教學(xué)儀器先后在我國問世并不斷改進(jìn)提高，適應(yīng)了學(xué)科交叉的新形勢，大大提高了教學(xué)質(zhì)量，但與國外相比尚有很大差距我國此類研究的先行者田捷研究員、包尚聯(lián)教授等在他們主編的《醫(yī)學(xué)影像處理與分析》[1]的前言中指出：“在發(fā)達(dá)國家醫(yī)學(xué)影像專業(yè)已像數(shù)學(xué)系一樣普及，但在國內(nèi)醫(yī)學(xué)影像的研究與應(yīng)用卻正處于剛剛起步階段.”[2]在這種形勢下，利用微型磁共振成像教學(xué)儀對一些實驗結(jié)果進(jìn)行理論分析并與大家共同討論，也許對我國磁共振成像原理的普及，對儀器的綜合利用能有一點拋磚引玉的作用.

1 實驗材料與方法

(1)材料

1)GY-CTNMR-10 核磁共振成像教學(xué)儀.

2)樣品，用圓柱形玻璃管裝入5%硫酸銅水溶液，做成水模，管的外徑10 mm，內(nèi)徑8 mm，高度8 mm.

(2)實驗參數(shù)：共振頻率：18.429 5 MHz，B1射頻場強度：2.9±0.2Gs，180°脈沖寬度34 μs，讀出梯度場強度1.1 Gs/cm，TE=20 ms,TR=2 000 ms.

(3)實驗步驟

1)利用標(biāo)準(zhǔn)SE序列(90°-相位編碼梯度-180°-回波)得到標(biāo)準(zhǔn)回波，如圖1所示.

2)改變脈沖序列軟件為

5°-相位編碼梯度-120°-回波

得到直線干擾圖像.

3)改變脈沖序列軟件為

90°-相位編碼梯度-120°-回波

得到拉鏈偽影.

4)改進(jìn)序列軟件為

90° -120°-相位編碼梯度-回波

得到改進(jìn)后的圖像.

圖1 自旋回波信號

2 實驗過程及現(xiàn)象

2.1 自旋回波信號觀察

調(diào)整90°脈沖寬度為16 μs，自由感應(yīng)衰減信號達(dá)最大幅度；取間隔時間2τ=TE=20 ms，加180°第二脈沖寬度為34 μs，呈現(xiàn)比較好的回波圖像如圖1(a)所示，說明實現(xiàn)了自旋回波然后逐漸減小第二脈沖寬度，則在第一個自由感應(yīng)衰減信號后面又出現(xiàn)一個自由感應(yīng)衰減信號，后面才是回波信號，如圖1(b)所示，圖中所示為第二脈沖寬度等于26 μs時(相當(dāng)于第二個脈沖120°)的情況.

2.2 水模成像觀察

(1)觀察正常的水模像，調(diào)整出精確的90°脈沖、180°脈沖，施加90°脈沖后加相位編碼梯度Gy，經(jīng)τ=10 ms后瞬間施加180°重聚脈沖，τ=20 ms時采集數(shù)據(jù)，成像觀察如圖2(b)所示.

(2)制作拉鏈偽影，調(diào)整第二脈沖為120°，其他參數(shù)和編碼順序不變，在中央出現(xiàn)拉鏈偽影，如圖2(c)所示.

(3)顯示第二脈沖FID信號產(chǎn)生的偽像方法是相位編碼梯度值比較大時散相作用明顯，若用小角度傾倒，比如5°，自旋磁矩的橫向分量很小，信號弱，觀察不到回波信號.縱向分量Mz′(τ)較大，施加120°的第二脈沖后，Mz′(τ)有較大的橫向分量產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減(FID)，此時經(jīng)二維傅里葉變換后只呈現(xiàn)第二脈沖FID形成的像如圖2(a)所示,是位于水模中央的一根直線.

(4)拉鏈偽影的消除.假設(shè)重聚脈沖仍不完備，還是120°，但調(diào)整儀器使相位編碼梯度在第二脈沖后發(fā)送，則觀察不到拉鏈偽影了，如圖2(d)所示.

圖2 水模圖像

2.3 拉鏈偽影的形成與消除

要消除拉鏈偽影必須使180°脈沖嚴(yán)格等于180°實驗表明，很弱的180°FID都會有偽影.調(diào)整脈沖及編碼時序，180°脈沖仍采用120°脈沖，如果把相位編碼放在此脈沖之后施加，傾倒后的M0=Mxy沒有受到相位編碼的散相作用，則得到重聚脈沖，由于其不夠180°，重聚不理想，仍有自由感應(yīng)衰減信號產(chǎn)生，但此信號趕上了相位編碼，由于不同的相位編碼使此自由感應(yīng)衰減信號有不同的相位，填充到K空間的不同行，對應(yīng)不同的縱向坐標(biāo)每次相位編碼后經(jīng)頻率編碼采集信號都疊加著該自由衰減信號(當(dāng)然強度越來越低)，即對于128×128陣列來說，每一行都攜帶，重建時各行均有此信號，由于該信號較弱，我們用肉眼已觀測不到偽影的存在，得到了比較好的水模圖像.

3 分析與討論

由上面的分析知，不完備的第二脈沖產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減信號進(jìn)入采樣窗是拉鏈偽影產(chǎn)生的實質(zhì)，下面分析殘余橫向矢量的產(chǎn)生原因.

3.1 理論解釋

用Bloch方程能比較簡單地解釋第二脈沖產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減信號的原因[3].設(shè)主磁場B0沿z′方向，射頻脈沖加在x′軸上，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中Bloch方程為

把上述方程運用到自旋回波(90°-τ-180°-τ(采集信號))序列中，在t=τ時若加不精確的π脈沖設(shè)為π-，π-<π,則Bloch方程在不同時間段為

(1)

(2)

(3)

當(dāng)t=2τ時

(4)

解方程(2)得

(5)

解方程(1)有

(6)

如果π脈沖是精確的，式(6)的第一個解Mz′改變符號

所以

如果π不精確為π-，設(shè)π-<π，在此脈沖作用下Mz′繞x′軸翻轉(zhuǎn)π-角有

故式(5)第二個解變?yōu)?/p>

整理得

由于回聚脈沖θ≠π設(shè)為π-，τ時間內(nèi)恢復(fù)的Mz翻轉(zhuǎn)后產(chǎn)生了橫向矢量

該矢量很快散相產(chǎn)生自由感應(yīng)衰減信號

這就是π-脈沖的FID信號，如圖3所示.

圖3 第二脈沖的FID信號和回波信號

雖然翻轉(zhuǎn)角小于π，但主磁場強度不變，翻轉(zhuǎn)后的自旋磁矩繼續(xù)繞主磁場旋進(jìn)，且旋進(jìn)頻率不變，若只考慮橫向分量，則經(jīng)τ時間后仍然實現(xiàn)重聚，只不過是處于x′，y′平面的矢量真地重聚在一起，其他方向的矢量只能橫向分量重聚，所以M⊥有所減少.

解方程(3)并代入邊界條件

(τ

說明t>2τ后繼續(xù)散相，產(chǎn)生信號這樣就得到了施加不等于π第二脈沖后，自旋回波包跡線如圖3所示.

3.2 用物理圖像做定性分析

90°脈沖把M0傾倒到y(tǒng)′軸上，由于T2弛豫和靜磁場不均勻的影響，使旋進(jìn)頻率產(chǎn)生差異，a，b，c，d，e表示進(jìn)動速度快的自旋核磁矩由正向遠(yuǎn)離y′軸，a′，b′，c′，d′表示進(jìn)動速度慢的自旋核磁矩由負(fù)向遠(yuǎn)離y′軸，很快散相Mx′=0，My′=0,磁矩的變化感生出FID信號，如圖4(a)所示.在π-脈沖的作用下(圖中設(shè)翻轉(zhuǎn)脈沖等于120°)x′，y′盤面繞x′軸旋轉(zhuǎn)了π-=120°，如圖4(b)所示，自旋a，b，c，d，e分別與圖4(a)中所標(biāo)示的相對應(yīng)，由于z方向主磁場的作用這些自旋分別在各自圓錐上繞z軸進(jìn)動，起始時a，b，c，d，e順時針進(jìn)動，a′，b′，c′，d′，e′逆時針進(jìn)動，使磁矩在My′軸上的投影值從正向和負(fù)向都在減小，并逐漸減小至零.這就是產(chǎn)生第二脈沖的FID信號過程由于ee′旋進(jìn)的最快，而aa′最慢，此時旋進(jìn)的自旋核分布如圖4(c)所示.繼續(xù)進(jìn)動的結(jié)果，由于aa′進(jìn)動慢位于最下面的圓錐，ee′進(jìn)動在最上面，到t=2τ時ee′已交換位置且形成8字球面形分布，均位于左半空間，只有cc′由于位于x′y′平面能實現(xiàn)重聚，其他雖未重聚但產(chǎn)生了My′，合成的總矢量沿-y′軸在這個過程中形成重聚回波，由于弛豫和散相，此時總磁矩小于M0.之后自旋在自己的自旋圓錐繼續(xù)散相見圖4(e)所示，形成如圖1(a)和圖3所示的回波[4].

圖4 核自旋磁矩在120°RF作用前后的運動狀態(tài)

5 結(jié)束語

由前面的分析不難看出，其他原因引起的橫向磁矩殘留，比如90°脈沖的不完善，來自其他層面的RF脈沖激發(fā)等，只要有橫向殘留就會產(chǎn)生它的FID信號，如果未經(jīng)相位編碼，就會出現(xiàn)中分線上的拉鏈偽影.消除這個偽影除改變相位編碼的時間外，也可通過取短的TS使其不進(jìn)入采樣窗，還可通過交替改變180°脈沖的相位，使得偽影呈現(xiàn)于邊緣或能剪去，還可以通過各種破壞橫向殘余的方法，使此FID不出現(xiàn)，所以拉鏈偽影是一個可以消除且較易消除的偽影.

1 唐啟群,侯淑蓮,趙強,等．在臨床專業(yè)開設(shè)“醫(yī)學(xué)影像物理基礎(chǔ)”選修課的一點嘗試． 大學(xué)物理,2009, 28 (5)：46～48,59

2 田捷,包尚聯(lián),周明全．醫(yī)學(xué)影像處理與分析．北京：電子工業(yè)出版社,2003

3 E.MarkHaacke,RobertW.Brown,et al．核磁共振成像物理原理和脈沖序列設(shè)計．曾曉莊，包尚聯(lián)譯.北京：中國醫(yī)藥科技出版社,2007

4 俎棟林．核磁共振成像學(xué)．北京：高等教育出版社,2004

Discussions on Zipper Artifacts by means of Mini-type Permanent Magnetic Resonance Imaging Device

Qiuhui Hu Mingcheng hou Shulian Xie Huantong

(Mudanjiang Medical College, Mudanjiang，Heilongjian 157011)(Hong Qi Hospital of Mudanjiang Medical College, Mudanjiang，Heilongjian 157011)(North China University of Science and Technology, Tangshan,Hebei 063009)(Shanghai Shining Global Science and Education Equipment Corporation, Ltd., Shanghai 201806)

Zipper Image Artifacts have been created by a device of Micro Magnetic Resonance Imaging. And It has been achieved that how to remove those artifacts. The results of our experiments were thoroughly discussed by qualitatively analysis through solving the Bloch Equations and the establishment of physics models. The physics principle of “k” Space was revealed for MRI by our studies.

magnetic resonance imaging；zipper image artifact；Bloch equations；spinning echo；K space

*河北省科技廳資助項目，課題編號：13202001D作者簡介:仇惠(1960- )，女，教授，主要從事醫(yī)學(xué)物理的教學(xué)和研究工作.通訊作者：侯淑蓮(1952- )，女，教授，主要從事醫(yī)學(xué)物理的教學(xué)和研究工作.

物理技術(shù)與研究