如何給大腦拍張高質量的影象？帶你瞭解磁共振掃描重要引數
關注“心儀腦”檢視更多腦科學知識
關鍵詞：文獻綜述、磁共振、大腦
我們都拍過照片，即使不是專業的人 也知道影響我們照片好壞的因素有哪些，比如曝光、色彩、構圖、光線等等。那同樣磁共振成像技術作為給大腦拍照的“相機”，想要得到高質量和高對比度的影象，有必要先了解一些跟掃描相關的基本概念和重要掃描引數。
我們都見過樂隊演唱，一個樂隊能演奏出什麼樣的樂曲，是有樂隊的指揮者決定的。那磁共振掃描操作者類似於樂隊的指揮者，其中的脈衝序列就是操作者對磁共振系統發出的一系列的指令。我們常見的脈衝序列可分為兩大類，一是自旋迴波序列（Spin-echo sequence，SE），另一個是梯度回波序列（Gradient-Recalled-Echo，GRE）
自旋迴波序列（SE)
自旋迴波序列（SE）是最為傳統和穩定的序列。它是由90°射頻脈衝與180°聚焦脈衝按照一定的時間排序施加形成的（如下圖所示）。在前面的推文中我們也提到過射頻脈衝的作用，主要是起“擾亂”的作用，即具有一定能量的射頻脈衝可以透過共振使H質子的M0翻轉到適當的角度。如90°射頻脈衝能使M0偏離靜磁場方向90°，從而產生一個較大的宏觀橫向磁化向量，如下圖白色箭頭所示，但是由於磁場的不均勻性以及T2弛豫等因素的影響下發生質子失相位，其大小呈指數式快速衰減，即T2*弛豫。為了剔除主磁場的不均勻性，施加180°聚焦脈衝，它使XY平面小磁矩的位置和旋轉方向發生逆轉。該作用可以比類比一場跑步比賽，將快的跑者與慢的跑者的位置互換，但跑的方向不變，即讓速度快的跑者多跑點路，讓速度慢的跑者少跑點路，這樣經過一段時間後，兩人可能同時到達終點，從而使宏觀橫向磁化向量逐漸增大到最大值，然後再逐漸衰減。
SE序列示意圖（圖片來源於網路）
梯度回波序列（GRE）
在臨床應用MRI的早期階段，由於SE序列掃描時間長，人們發明了GRE序列。GRE序列是目前快速掃描序列之一。GRE是如何縮短掃描時間的？
GRE使用的射頻脈衝翻轉角小於90°， 這樣只有部分的縱向磁化向量翻轉到XY平面，而沒有完全歸零，因此剩餘的縱向磁化向量較多，所以不需要更多的時間去恢復，掃描時間自然縮短了。在射頻脈衝結束後，被翻轉到XY平面的磁化向量開始T1恢復和T2衰減。不同於SE序列，透過施加180°聚集脈衝使橫向磁化向量達到最大。GRE序列透過使用梯度場使相位回聚，即XY平面小磁矩的空間位置沒有變化，僅是在梯度場作用下，使進動頻率快的變慢，使進動頻率慢的變快，類似於龜兔賽跑，經過一段時間後，XY平面的小磁矩將發生相位重聚，形成較大的橫向磁化向量，並由此產生MR訊號。因此GRE縮短掃描時間的原因主要有兩個，一是小角度射頻脈衝導致縱向磁化向量恢復的時間縮短，二是利用梯度場進行相位重聚的速度極快，形成MR訊號也較快。但由於GRE序列並不能消除磁場不均勻性，因此GRE序列對磁場不均勻性非常敏感。當掃描區域出現出血、順磁性物質（如脫氧血紅蛋白）或逆磁性物質時，將引起組織區域性的磁場不均勻，在影象上出現低訊號。因此GRE序列採集的一般是T2*加權像。
最後我們來總結一下SE序列和GRE序列各自特徵：
影象對比度與信噪比
影象對比度：
我們人體內各解剖部位的組織結構不同，正常組織和病理組織的結構也不相同。磁共振成像對H質子和其周圍結構構成的變化非常敏感。因此，它能有效區分不同成分的組織，在影象中不同的組織呈現不同的亮度，我們稱為影象對比度。影響影象對比度的因素主要分為外源性和內源性兩類，其中內源性客觀存在，無法改變，是人體組織固有的特性，不同的組織具有不同的T1、T2弛豫時間，外源性因素與人體組織結構無關，可以透過關鍵的掃描引數來改變。常見的影象對比度有T1加權像、T2加權像以及T2*加權像。
信噪比（SNR）：
是指接收的訊號強度和接收的噪聲強度的比值，影響信噪比的因素也包括內因和外因。內因是取決於H質子的數量；外因同影象對比度一樣，是可以人為的改變。那接下來我們就根據時間解析度和空間解析度介紹一下常見的掃描引數：
（1）時間解析度相關的概念
TR：重複時間，指兩次激發脈衝之間的時間間隔，決定了時間解析度，越短時間解析度越高。在SE序列中TR是指相鄰兩個90°脈衝中點間的時間間隔；在GRE序列中TR是指相鄰兩個小角度脈衝中點間的時間間隔。
對SNR的影響：
TR足夠長，就有足夠的時間完成訊號採集以及有充足的磁化向量恢復，為下一次的激發脈衝儲備足夠的能量，SNR增加。
對影象對比度影響：
由於TR決定組織的T1弛豫程度，因此TR短，T1對比度增強，TR長，T1對比度減弱。
TE：回波時間，指從激發脈衝開始作用到接收訊號的時間間隔。
對SNR的影響：
TE時間越長，在XY平面橫向磁化量衰減越多，MR訊號越弱，SNR越小。
對圖片對比度影響：
由於TE決定的是組織的T2弛豫程度，因此TE越長，可顯示不同T2衰減特性組織的MR訊號強度差別，即TE長，T2對比度強，T1對比度減弱；TE短，T1對比度增強，T2對比度減弱。
FA：翻轉角，在SE序列中，射頻脈衝是以90°激發H質子，故不存在翻轉角的大小變化，但在GRE序列中，採用的是小角度射頻脈衝，而翻轉角的大小直接決定橫向磁化向量分量的大小。
對SNR的影響：
翻轉角越大，形成的橫向磁化向量分量也較大，MR訊號越強，SNR越大。
影象對比度影響：
FA越大，T1對比度增強；FA越小，T1對比度減弱。
掃描引數影響訊號強度示意圖
（2）空間解析度相關的概念
磁共振成像和我們相機拍出來的照片一樣，都是數字影象，數字影象的解析度以畫素表示，畫素越小，影象的解析度越高。與每個畫素對應的的人體組織單元稱為體素。體素的大小主要由掃描視野、掃描矩陣和層厚共同決定。體素越大，其中包含的H質子數量就越多，產生的訊號就越強，表現在影象上則是越亮。
掃描視野（FOV）： 是指MR成像的實際範圍，在矩陣不變的情況下，FOV越大，成像體素越大，空間解析度越低。掃描矩陣：是指MR影象層面內行和列的數目，也就是頻率編碼和相位編碼方向上的畫素數目。矩陣越大，成像體素越小，空間解析度越高。因此，增大掃描視野，減小掃描矩陣，可使體素增大，結果使MR訊號增強。
以上是小編自己對磁共振成像掃描時需要了解的一些基礎知識的認知和理解，僅供大家學習和參考。
參考文獻：
Kim, S. G., & Bandettini, P. A. (2010). Principles of functional MRI. In BOLD fMRI (pp. 3-22). Springer, New York, NY.
Westbrook, C. (2021). Handbook of MRI technique. John Wiley & Sons.
《磁共振成像臨床應用入門》靳二虎 蔣濤 張輝
全文完結，整理不易，看不完記得收藏，最後希望點贊支援一下！
瞭解更多，請關注“心儀腦”公眾號！
