磁共振信号的空间定位

磁共振信号的空间定位 第七节 磁共振信号的空间定位 在前面的章节我们已经知道，对于二维MR成像来说，接收线圈采集的MR信号含有全层的信息，我们必须对MR信号进行空间定位编码，让采集到MR信号中带有空间定位信息，通过数学转换解码，就可以将MR信号分配到各个像素中。MR信号的空间定位包括层面和层厚的选择、频率编码、相位编码。MR信号的空间定位编码是由梯度场来完成的， 我们将以头颅横断面为例介绍MR信号的空间定位。 我们通过控制层面选择梯度场和射频脉冲来完成MR图像层面和层厚的选择。以1.5 T磁共振仪为例，在1.5 T的场强下，质子的进动频率约为64MHZ。图15所示为人头正面像，我们将进行横断面扫描，要进行层面的选择，必须在上下方向（即Z轴方向）上施加一个梯度场，Z轴梯度线圈中点位置（G）由于磁场强度仍为1.5 T，因而该水平质子的进动频0 率保持在64MHZ。从G向头侧磁场强度逐渐降低，因而质子进动频率逐渐变慢，头顶部组0 织内质子的进动频率最低；从G向足侧磁场强度逐渐增高，则质子进动频率逐渐加快，下0 颌部最高。单位长度内质子进动频率差别的大小与施加的梯度场强度有关，施加梯度场强越 大，单位长度内质子进动频率的差别越大。如果我们施加的梯度场造成质子进动频率的差别 为1MHZ/cm，而我们所用的射频脉冲的频率为63.5 , 64.5MHZ，那么被激发的层面的位置（层中心）就在Z轴梯度线圈中点（G），层厚为1cm，即层厚范围包括了Z轴梯度线圈中0 点上下各0.5cm的范围（图15a）。 64.5-65.5 MHZ 63.5-64.5 MHZ G 0G 0 a b 63.5-64.5 MHZ 63.75-64.25 MHZ G 0G 0 c d 15 图中横实线表示层中心位置；两条虚横线之间距离表示层厚。图a示 梯度场强造成的质子进动频率差别1 MHZ/cm，射频脉冲的频率范围为63.4-64.5 MHZ，则层中心在梯度场中点（G），层厚1 cm；图b示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围为64.5-65.5 MHZ，则层厚保持1 cm，0 层中心向足侧移1 cm；图c示梯度场保持不变，射频脉冲的频率范围改为63.75-64.25 MHZ，则层中心位置不变，层厚变成0.5 cm；图d示射频脉冲的频率范围保持不变，梯度场强增加一倍，即造成的质子进动 频率差别为2 MHZ/cm，则层中心保持不变，层厚变成0.5 cm。 我们对射频脉冲的频率及带宽和Z轴梯度场作不同的调整，层面和层厚将发生如下变 化：（1）梯度场不变，射频脉冲的频率改成64.5 , 65.5MHZ，则层厚保持不变，层面中心向 足侧移动1cm（图15b）；（2）梯度场不变，射频脉冲的频率范围（带宽）变成63.75 , 64.25MHZ，则层面中心不变，层厚变薄为0.5cm（图15c）；（3）射频脉冲仍保持63.5 , 64.5MHZ，梯度场强增加使质子进动频率差达到2MHZ/cm，则层面中心保持不变，层厚变薄为0.5cm（图15d）。 （1）梯度场不变，射频脉冲的频率增加，则层面的位 置向梯度场高的一侧移动；（2）梯度场不变，射频脉冲的带宽加宽，层厚增厚；（3）射频脉冲的带宽不变，梯度场的场强增加，层厚变薄。 前面的层面选择仅仅确定了被激发和采集的层面和层厚，可这时采集的MR信号包含有全层的信息，我们必须把采集的MR信号分配层面内不同的空间位置上（即各个像素中）， 才能显示层面内的不同结构。因此在完成了层面选择后我们还必须进行层面内的空间定位编 码。层面内的空间定位编码包括频率编码和相位编码。我们先介绍频率编码。 在介绍频率编码前，让我们先复习一下太阳光的特性。无色的太阳光经一块三棱镜的折 射后可以分解出红、橙、黄、绿、青、兰、紫等七种颜色的光线，这七种颜色的光线代表7种不同的频率，红色频率最低，紫色频率最高。其实三棱镜之所以能从无色的太阳光中分辨 出七种有色的光线，是因为无色的太阳光中本身就带有这七种频率的光线，只是各种频率的 光线混杂在一起无法分辨而已，而通过三棱镜的折射则能分辨这七种不同频率的光线。 其实频率编码的原理与此类似，傅里叶变换可以区分出不同频率的MR信号，但首先必须让来自不同位置的MR信号包含有不同的频率，采集到混杂有不同频率的MR信号后，通过傅里叶变换才能解码出不同频率的MR信号，而不同的频率代表不同的位置。 以头颅的横断面为例，一般以前后方向为频率编码方向，我们在MR信号采集的时刻在前后方向上施加一个前高后低的梯度场（图16a），这样在前后方向上质子所感受到的磁 场强度就不同，其进动频率即存在差别，前部的质子进动频率高，而后部的质子进动频率低 （图16b）。这样采集的MR信号中就包含有不同频率的空间信息，经傅里叶转换后不同频 率的MR信号就被区分出来，分配到前后方向各自的位置上。 前 前 65 MHZ 65 MHZ 65 MHZ 右 G左 64 MHZ G64 MHZ 64 MHZ 0 0 63 MHZ 63 MHZ 63 MHZ 后 后 16 图a示颅脑一横断面，施加了一前高后低的梯度场，G代表梯度场中点；图b0 a b 仅以三行三列9个体素作为示意，中间一行由于位于梯度场中点（G），质子进动频率保持64 MHZ，最前面0 一行由于磁场强度升高，质子进动频率加快到65 MHZ，最后面一行由于磁场强度降低，质子进动频率减慢 为63 MHZ。MR信号采集后经傅里叶转换即可解码出不同频率的MR信号，而不同频率代表前后方向上的不 同位置。需要指出的是图中为了说明的简便起见，用63 MHZ、64 MHZ、65 MHZ来代表频率编码方向上3个不同体素内质子的进动频率，实际上真正的频率编码时，体素间的质子进动频率差别不可能有这么大。 在前后方向上施加了频率编码梯度场后，经傅里叶转换的MR信号仅完成了前后方向的空间信息编码，而左右方向上的空间定位编码并未能实现（图17a）。我们必须对左右方向的空间信息进行相位编码，才能完成层面内的二维定位（图17b）。 和频率编码一样，相位编码也使用梯度场，但与频率编码梯度场不同的是：（1）梯度场施加方向不同，应该施加在频率编码的垂直方向上，还以颅脑横断面为例，如果频率编码梯 度场施加在前后方向，则相位编码梯度场施加在左右方向上（图17b）。（2）施加的时刻不同，频率编码必须在MR信号采集的同时施加，而相位编码梯度场必须在信号采集前施加， 在施加相位梯度场期间，相位编码方向上（以左右方向为例）的质子将感受到不同强度的磁 场（如左高右低），因而将出现左快右慢的进动频率，由于进动频率的不同，左右方向各个 位置上的质子进动的相位将出现差别（图17b）。这时关闭左右方向的相位编码梯度场，左 右方向的磁场强度的差别消失，各个位置的质子进动频率也恢复一致，但前面曾施加过一段 时间梯度场造成的质子进动的相位差别被保留下来（图17c），这时采集到的MR信号中就带有相位编码信息，通过傅里叶转换可区分出不同相位的MR信号，而不同的相位则代表 左右方向上的不同位置。 G 0 前 前 前 右 左 右 左 右 左 64 MHZ 63 MHZ 64 MHZ 64 MHZ 65 MHZ 64 MHZ 64 MHZ 64 MHZ 64 MHZ a b c 后 后 后 17 仍以图16的颅脑横断面为例，但仅以图16中的进动频率为64 MHZ的一行体素作为相位编码的示意。图a示在施加相位编码梯度前，左右方向上各体素中质子的进动频率均为64 MHZ，相位也一致（空箭所示）；图b示在左右方向上施加一个左高右低的梯度场，位于相位编码梯度场 中点（G）的体素内的质子进动频率仍为64 MHZ，而最左边体素内的质子进动频率增加到65 MHZ，最右0 边体素内的质子进动频率减低到63 MHZ。这个梯度场施加一段时间后，左右方向上各体素内的质子由于 进动频率不同出现相位差异（空箭所示）。图c示在MR信号采集前，把相位编码梯度场关闭，左右方向上 体素内的质子进动频率又回到64 MHZ，即左右方向的进动频率差别消失，但由于相位编码梯度场造成的 左右方向上各体素内质子的相位差别（空箭所示）被保留下来。MR信号被采集后经傅里叶转换，就可以 解码出左右方向上的相位差别。 由于傅里叶转换的特性，它区分不同频率的MR信号能力很强，但区分MR信号相位差别的能力较差，只能区分相位相差180:的MR信号。所以MR信号的相位编码需要多次重复进行，如果是矩阵为256×256的MR图像需进行256次相位编码方能完成，也就是说 需要用不同的相位编码梯度场重复采集256个MR信号，不同的相位编码梯度场得到的MR信号也称相位编码线，填充在K空间相位编码方向上的不同位置上（图18a），经过傅里叶转换，才能重建出空间分辨力合乎要求的图像。K空间的基本概念和特点请参阅下一节。以 刚才的左右方向为相位编码的颅脑横断面为例，这256种不同的相位编码梯度场一般情况下 是先施加强度最大的梯度场，方向为一侧高另一侧低（如左高右低），保持梯度场方向不变， 梯度场强度逐渐变小一直到零，然后改变梯度场方向（即改成左低右高），梯度场强度则从 小开始，逐渐变大，其梯度场强度变化的步级与刚才左高右低时一样（图18b）。 三维MRI的空间定位与二维MRI有所不同。三维MRI的激发和采集不是针对层面， 而是针对整个成像容积进行的。由于脉冲的激发和采集是针对整个容积范围进行的，为了获 得薄层的图像，必须在层面方向上进行空间定位编码。 三维采集技术的层面方向空间编码也采用相位编码，一个容积需要分为几层，就必需进 行几个步级的相位编码。如图像的矩阵为128×128，容积内分为20层，则层面内的相位编码步级为128级，每一级又需要进行20个步级的层面方向的相位编码，实际上总的相位编 码步级为2560（128×20）。