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【MR技术/序列研究】dual_FFE_BH 肝脏双回波序列

2021
01/06
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CTMR技术园蒋强盛
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我们将目光转换到对比度上来。


在群里有老师问， 如果将 FA 改为 70 度或其他角度，为什么相对信噪比的变化跟常规思维不同？常规思维是， 若 FA 由 80 度变为 70 度，那么它产生的横向矢量变少，这个角度来讲相对信号比应该变小才对，但事实不是如此。

从上面图形中我们可以看到，固定 TR，修改 FA 所发生的 Rel. SNR 的变化趋势。为什么会如此呢？这是因为它是一个 梯度回波序列，TR 相对较短，某参考组织 Reference tissue（比如肝脏，T1 = 500ms @ 1.5T）结合不同的 FA 会产生 不同的饱和效应，即 不同的稳态纵向磁化矢量，那么产生的信号就比较复杂。
此序列为 肝脏双回波序列，那么它的 Reference tissue 参考的是 肝脏 Liver：


下面我们来具体模拟计算下 TR=183ms, TE=2.3ms, FA=80°, T1_Liver = 500ms @ 1.5T 的情况下它的弛豫饱和情况。


我们先来研究下这个 dual_FFE_BH 序列的序列结构：


（1）它是 一个 Package， MultiSlice 模式扫描 25 层，TR 设置为 Shortest，从 info page 中知晓 TR = 183ms；

（2） 基本的序列结构是快速场回波 FFE 序列， Contrast enhancement = no；

即所配置的参数所得到的回波既有 FID 也有 “自旋回波”， 那么它是 T1 对比的序列吗？我们知道，扰相梯度回波序列一般是 T1 加权的，即要设置 Contrast enhancement = T1 weighted，但此处设置的是 no，那么它是如何做到 T1 加权的呢？我们知道，梯度回波的对比比较复杂，而要想做 T1 对比，尽量采集 FID 信号，即 TE 要尽量短，另外要去除由于多个 RF 脉冲短 TR 内激发的产生的自旋回波信号，那么怎么去除呢？一个方法就是进行扰相（包括梯度扰相和射频扰相），另一个就是 TR 相对较长，使得横向磁化矢量遵循 T2 弛豫衰减完，这样下一次的 RF 脉冲到来时就不会有自旋回波信号对新产生的 FID 信号产生干扰。而这里的 TR = 183ms，已经超出了肝脏 T2 值（= 45ms @ 1.5T）的 4 倍，可以认为横向磁化矢量依  T2 弛豫 衰 减完毕。


（3）下面我们来计算下 序列采集时间相关的问题：
TR = 183ms, N_PE=147, SENSE factor = 1.76，那么 TA = 0.183 × 147／1.76 = 15.3s，与 info page 中所给的 16.1 有差异，为什么？因为梯度回波序列的 TR 相对较短，需要若干个 TR 形成稳态后才能采集有效的回波信息。 通过反演计算，大概需要 8 个准备脉冲来形成稳态，即  TA =  0.183  × （ 147 + 8） ／ 1.76  =   16.1s。

另外，由于 TR 设置的 Shortest，且扫描 25 层，系统配给的重复时间为 TR = 183ms，那么一层激发并采集的时间为 183 / 25 = 7.32s。我们按 TE2 = 4.6ms 来计算，另外，我们知晓， Water-fat shift 自定义为 0.415 pxiel，由 info page 可知 Actual WFS = 0.416，此时 读出编码方向每个体素带宽为 522.1，那么 一个信号采集的时间为 1/522.1Hz = 1.92ms，取采集回波的一半时间为 0.96ms，4.6ms + 0.96ms = 5.56ms。
为什么与 7.32ms 会有差异？因为，TR 时间内还有施加 饱和带这一程序，它也是需要占据时间的，那么可以将 REST 关闭再对比下时间。TR 设置为 Shortest，去除 REST 后，TR 变为 165ms，即头足两个饱和带每个 TR 内占据时间为 18ms（所有层共用一组 REST）。那么 一层激发并采集的时间为 165 / 25 =6.6ms，仍然大于 5.56ms。是因为信号采集完后需要对它进行散相以不干扰其他层的信 号采集； 还有，RF 激发其实也是要占据时间的。 关于这么详细的细节就不再讨论了。
在这里，是通过设置 WFS 来人为地调控每个回波信号采集的时程长短（即总接收带宽/读出方向体素带宽/信号采样间隔），如果第一个回波采集的时间太长，那么就影响了第二个回波的采集，参数就会产生冲突。总之，其中蕴味就是如此。


（4）由于此处 TR 足够长，使得“Spin Echo”不对信号产生影响，那么我们可以使用 扰相梯度回波序列的相关公式：
即若干个 TR 后， 纵向磁化矢量达到稳态时

即纵向稳态时，不同翻转角所产生的纵向磁化矢量值不同：

所产生的信号的信号强度公式如下：

忽略常数因子项，只对含有 FA 的因子进行 0~90 度作图如下：

我们可以看到，当 TR 与 T1 固定时，信号强度随 FA 的变化曲线如上图所示。其中有一个信号强度最大的点，此时对应的 FA 称之为 恩斯特角 Ernst angle。从上图实际得到的最大信号强度的翻转角与我们序列实际测试的结果十分吻合，约在 45 度附近：

下面我们根据信号强度公式，结合微积分求出 Ernst angle 的具体表达式：

容易验证，此时，S(θ) 对应极大值。那么即求出了我们所熟知的 恩斯特角，它表征着： 给定重复时间 TR，某组织（确定的 T1 value）产生的信号强度最大的翻转角 θ。至此，也就解释了一开始老师的提问。

下面，我们将目光转换到 对比度上来。
上面我们说了，这个 恩斯特角只是针对某组织 & 确定 TR 而言，且采集的是 FID 信号，此时信号强度最大，图像上关于此组织的 SNR 最高。但扫描 MRI 图像时，SNR 不是我们需要关注的唯一参数，还有很多参数，比如对比度、空间分辨率、扫描时间等。那么，我想说的是什么呢？就是， 恩斯特角产生的某组织信号强度最大的翻转角，并不一定是组织间最佳对比的翻转角。组织间的最佳对比翻转角，当从我们感兴趣的 某 两种组织或两种以上组织的信号强度曲线来寻找，即曲线间的差距越大，对比越强烈。当然有时对比强烈，可能是信噪比较低的时候，因此，我们需要综合选择： 首先满足较好的对比度，其次拥有较高的信噪比。
比如，组织 1 取肝脏， T1_Liver = 500ms @ 1.5T；组织 2 取肝血管瘤， T1_Hemangiomas = 1000ms @1.5T，那么在同一坐标系中画出两组织的在 TR = 183ms 条件下两者信号强度随翻转角 θ 的变化曲线（假定质子密度 Rho 相同）：

若再引入肝脏与肝血管瘤的 质子密度的差异，即 M0 的差别，那么画出来的图像如下所示（ Rho_Liver = 0.7, Rho_Hemangiomas = 0.95）：

通过引入不同组织质子密度对信号强度的差异的贡献可以看到，在 80° 左右肝脏组织与血管瘤的对比最好，此血管瘤可以看成是液性组织的代表，那么 原始 dual_FFE_BH 序列所应用的 FA = 80° 的依据是什么呢？是不是就如我此处所说的情况呢？欢迎各位老师一起交流一起探讨。

总结
这一期就分享到这，关于这个序列还有好多地方需要再详细探讨，比如
达到稳态的过程如何精确的演算，比如此处需要 8 个 TR 射频来达到稳态；
饱和带的使用和 Slice scan order 的问题；
同反相位的时间的选择， 先采同相位还是先采反相位的问题；
与 FFE mDXION 序列有什么差异；
此序列的反相位与 频率选择饱和法压脂有什么差异；
图像怎么解读，临床怎么应用等。


本文由作者自行上传，并且作者对本文图文涉及知识产权负全部责任。如有侵权请及时联系（邮箱：nanxingjun@hmkx.cn）
关键词:
序列,回波,肝脏,MR,技术,研究,信号

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