磁共振成像基本原理解读之二十二：EPI读取方式（二）

zskyteacher 2019-05-14

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磁共振成像基本原理-EPI（二） 来自天师论道 03:22

EPI信号采集对梯度系统的极限挑战：几乎在所有成像序列中基于EPI信号采集方式的序列对于梯度系统的挑战是最大的。这里包括两个方面：其一：EPI信号采集通常会使用更高的梯度场强；其二：EPI信号采集对梯度的稳定性、保真度提出了更高的要求。当我们在谈及一台磁共振设备的梯度性能时我们通常会提及该设备具备的最高梯度场强和最大梯度切换率。但在通常的成像序列如FSE序列一般不会使用到那么高的梯度场强和梯度切换率。前文我们提到在EPI信号采集方式为了获取更短的ESP，在客观上要求使用更高的梯度场强和更高的梯度切换率，但是过高的梯度场强和过高的梯度切换率很难同时实现，因为这会导致病人发生周围神经刺激征（PNS）。通常在EPI信号采集时系统会使用比较大的梯度场强但不会同时采用过高的梯度切换率，这样可以最大程度避免PNS的发生。大家是否知道如何计算某序列在成像过程中所采用的读出梯度场强？因为读出梯度或者说频率编码梯度会直接影响信号的采样时间并因此影响回波间隔（ESP），所以我们通过考察一个序列所使用的最大梯度场强时可以通过计算读出梯度场强来量化评估。读出梯度场强可以通过以下公式来计算：2△ν=（γ/2π）*Gx*Lx,其中，2△ν就是信号读出的总带宽;（γ/2π）就是旋磁比，不过这里涉及到把采用角频率描述的旋磁比转化为线频率，（γ/2π）就是大家熟悉的那个数字：42.57MHz/T;Gx代表的是读出梯度场强；Lx代表读出梯度方向的FOV。依托于这个公式我们通过计算在一般的FSE序列，其读出梯度通常在10mT/m左右，而在基于EPI信号采集的序列如DWI序列，其读出梯度场强通常会使用系统允许的最大梯度场强。如果大家认真计算我们就会发现标称梯度性能和临床梯度性能是两个不同的概念。前者是厂家标书中的工程值，而后者才是我们在临床工作中实际能够使用到的最大梯度场强。因为受PNS、梯度保真度等因素限制，很多具有很高标称梯度值的设备在实际使用过程中所能达到的最大梯度场强值却很低。

图片说明：通过计算我们发现在一般的FSE序列信号采集时，系统所使用的读出梯度场强在10mT左右，而在DWI的EPI信号采集时却使用了34.11mT。通过对比我们可以发现EPI信号采集对梯度场强提出了更高的要求。梯度性能安全曲线是用来描述梯度工作安全性能的曲线，该曲线表明为了避免PNS发生当使用较高的梯度场强时就不得不降低相应的梯度切换率。

斜坡采样与ESP：我们通过上面的对比可以更加直观的理解在基于EPI信号采集的序列中系统会采用更大的梯度场强，显然采用更高的梯度场强理论上更有利于获取更短的ESP，不过这还要受梯度切换性能的制约。请大家了解一下这个公式： ,这个公式寓意比较深刻。通过这个公式我们可以看出影响最短TE及回波间隔ESP的因素有三个：其一是由总带宽所决定的数据采样时间；其二是由总带宽及梯度切换率所决定的爬升时间，当然对于ESP而言还涉及到一个梯度回落时间，因此公式应该修改成：。总带宽越宽，对应的读出梯度场强也越大，因此梯度的爬升和回落所需要的时间也越长。据此我们就可以理解一个现象：在一定范围内调整接收带宽时我们可以发现：随着带宽增加对应的最短TE或ESP会相应变短，但在某个拐点我们发现随着接收带宽的增加最短TE或ESP不再变短而是变长了，这个拐点的出现在一定程度上反映了梯度切换性能；影响ESP或最短TE的第三个因素是频率编码矩阵，它和总带宽一起共同决定读出完整回波所需要的时间。在EPI信号采集方式，为了缩短ESP通常会采用相对较小的频率编码矩阵如128，同时也会采用相对更高的读出梯度场强。然而伴随着2△ν的增大，读出梯度场强也增大，那么用于梯度爬升和回落的时间也延长了。如果我们继续采用平台期采样，那么这个梯度爬升和降落的时间显然会导致ESP有所延长。而且前文我们也说过为了避免PNS的产生，在基于EPI信号采集的序列如DWI等通常系统会采用更高的梯度场强但不会同时采用更高的梯度切换率。现在的问题是我们可否把用于梯度爬升和回落的这段时间利用起来了呢？这就是我们要讨论的斜坡采样技术。斜坡采样（Ramp sampling）简单的说就是在梯度爬升和回落时进行数据采样，这样就大大提高了信号采集的效率。在学习斜坡采样技术时请大家一定不要和在TOF MRA成像时所采用的斜坡脉冲相混淆。斜坡采样发生在信号采集阶段，而TOF MRA的斜坡脉冲发生在射频激发阶段，是两个不同领域的概念。请大家仔细观察有关斜坡采样的示意图，我们不难发现采用斜坡采样可以明显缩短回波间隔，这对于提高基于EPI信号采集方式的图像质量有特别重要的意义，特别是可以降低磁敏感伪影和几何形变。

图片说明：上排图在使用相同的信号接收带宽即读出梯度场强相同时采用斜坡采样和不采用斜坡采样之间的一个对比。采样斜坡采样技术后ESP明显缩短，在该图像采集参数下ESP从1.344ms降低到0.712ms,同时我们发现使用了斜坡采样技术后图像的几何形变和磁敏感伪影都明显减低。

下排图表明在使用斜坡采样技术后有效梯度工作面积明显变大，这等同于提高了梯度的临床性能。这里我们展示了在GE的HDxt平台的ZOOM模式时（标称最大梯度场强为50mT）,当采用斜坡采样技术后当信号接收总带宽为2*167KHz时可以采集的FOV为11cm，根据上面的公式：2△ν=（γ/2π）*Gx*Lx，我们可以计算出此时的读出梯度场强为71.3mT。可见斜坡采样等同于大幅度提高梯度的临床性能。

正如我们在有关K空间部分所讨论的：斜坡采样可以理解为在频率编码方向上一种特殊的K空间填充方式。这种K空间填充方式给我们带来了巨大的好处，但同时这种K空间填充方式也对梯度性能特别是梯度保真度提出了更高的要求。因为采用斜坡采样所读取的K空间数据呈非线性分布，这样的K空间数据不能直接用于傅里叶变换而是要先经过方格化重建。方格化重建就是通过对所采样的数据进行插值处理，重建出符合快速傅里叶变换需求的直线型K空间数据。为了完成这种方格化处理，在斜坡采样过程中实际采集的数据点要多于我们所选择的频率编码矩阵；而且方格化处理也在客观上要求梯度具有更高的保真性能，这样才可以通过插值处理得到更符合实际采集的直线型K空间数据。斜坡采样是在梯度爬升和下降过程中进行数据采集，此时梯度线圈内的电流是处于快速变化中的，这种变化中的电流会感应出涡流，这些都使得斜坡采样数据具有更多的不确定性。可见，采用斜坡采样实际上也是梯度系统具有高保真性能的一个体现。尽管作为磁共振使用者而言可能更关注的是能否获得更理想的图像用于诊断，但如果能够对图像采集背后的一些制约因素有所了解，那么就会更有理性的设计扫描参数，也能更客观的解读采集图像所出现的各种问题。

小结

本篇分享侧重和大家讨论了有关EPI信号采集方式对硬件特别是梯度性能的挑战。阅读本文后希望大家能够掌握：

1）梯度性能不是简单的梯度标称性能，事实上我们可以精确计算出在临床上所能使用的临床梯度性能值。作为磁共振的使用者而言需要学会雾里看花才能更好的评估和理解磁共振设备性能；

2） EPI信号采集方式对梯度性能提出了更高的要求，包括系统所能实现的最大梯度场强。但受PNS安全隐患制约，使用更高的梯度场强客观上不能同时使用过高的梯度切换率，这是限制EPI读取方式的一个瓶颈；

3）建立在高保真梯度性能基础之上的斜坡采样能够更加有效的应对EPI信号采集方式对梯度性能的挑战。