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与CT成像设备相似，磁共振成像设备也是一个基于计算机断层的数字化成像方法。从本质上来说，一幅磁共振图像可以理解为某一选择层面内不同体素的磁共振信号强度的分布图。这里我们就需要了解在磁共振成像过程中如何获得成像的层面？对于成像层面又如何把所获得的磁共振信号与相应组织的空间位置之间进行一一对应？这就是我们所要讨论的磁共振成像过程中的空间定位问题。  一、空间定位与拉莫尔方程 在讨论有关磁共振成像空间定位的问题时必须提及到拉莫尔方程，因为它是实现空间定位的最最重要的理论基石。磁共振成像中外来施加的交变射频场能否和人体内的氢质子原子核发生共振？这完全取决于射频脉冲的频率和体内自旋氢质子的进动频率是否一致，只有当两者的频率完全一致时才会发生共振现象。磁共振成像过程中的空间定位无论是层面选定还是层面内像素编码都是基于这样的频率对应关系来实现的。如果不了解拉莫尔方程和拉莫尔频率就无法理解磁共振成像过程中的空间定位问题。 二、空间定位与梯度磁场 通过引入外来的线性梯度场人为改变主磁场内不同空间位置的磁场强度，从而实现了层面选择以及层面内体素位置与信号频率或相位之间的一一对应是实现磁共振成像的一个重要的突破。这一利用梯度进行空间定位的方法由保罗·劳特布尔（Paul Lauterbur）提出，他也因此获得了诺贝尔奖。在磁共振成像过程中梯度场具有特别重要的意义，它既是实现空间定位的方法，同时也可以是实现快速成像的重要手段。梯度磁场由梯度线圈产生，如下图所示，在磁共振成像系统有三组不同的梯度线圈来实现X、Y、Z三个方向的梯度磁场。说明一下为了使讨论变得简单，这里人为规定了Z轴方向为层面选择方向，X方向为频率编码方向，Y方向为相位编码方向。实际工作中根据扫描方位这种关系会相应变化。通过这些梯度线圈的协同工作使得磁共振成像可以在不改变体位的情况下实现任意方位成像，这是磁共振成像的一个重要的临床优势。这里也要强调梯度场的线性度是实现磁共振成像精准定位的前提和基础，任何原因干扰或破坏了梯度场的线性度都可能导致空间定位错误。  图片说明 ：磁共振成像系统中三组不同的梯度线圈简化示意图。每个轴的梯度线圈由一对平行线圈组成，工作时通过施加方向相反的电流，叠加出具有一定斜率的梯度磁场。 三、成像过程中的层面选择 断层成像或体层成像在英文中称为tomography，其中的“tom”是一个比较重要的词根，表示“切下来的一片”，而其中的“graphy”是另一个词根，表示“描述”。在X线CT成像过程中利用准直器来选择特定的层面，那么在磁共振成像过程中如何获得这“切下来的一片”呢？这就是磁共振成像过程中的层面选择问题。 1、层面选择梯度与射频脉冲带宽共同作用实现成像层面位置与层面厚度选定：在磁共振成像过程中通过施加层面选择梯度（Slice selection gradient）与主磁场共同作用，使得成像区域不同位置产生一个线性变化的“合成磁场”，这种“合成磁场”强度的差异使得不同区域自旋质子的拉莫尔频率也产生相应的差异。对于某一个特定层面而言，只有所施加的射频脉冲的频率与该区域的进动频率相同时，才能发生磁共振现象。正是利用这样的原理，通过对射频脉冲频率的选择，实现了磁共振成像过程中的层面选择，即选择激励法。目前在磁共振成像设备上通常采用的层面选择方法就是这种选择激励法。在射频激发的过程中通过调整射频脉冲的中心频率便实现了选择成像层面位置的目的。那么在确定了层面位置后，如何确定层面厚度呢？简单地说就是由选层梯度的强度和射频脉冲的频率带宽所共同决定。实际上在射频激发过程中射频脉冲的频率不是单一的，而是围绕着所确定的拉莫尔中心频率给出一个很小的频率带宽△f，通常这个射频带宽固定且范围较窄，△f通常在1-2KHz。这个射频带宽△f与选层梯度相互作用决定了激发层面的厚度。这里必须了解并尽可能掌握以下这个公式： 这里Gss代表层面选择梯度，Sth代表层面厚度。这个公式在实际临床应用过程中有很重要的意义。因为通常射频带宽△f是固定的，所以主要由层面选择梯度场强度决定选择层面的层厚。当选择的层面厚度越薄时所需要的层面选择梯度场强就越强，梯度的爬升时间会相应延长，如果将相应序列设置为使用最短TE和最短TR对应的极限参数时，可能导致图像TR和TE的延长，如下图所示。例如，在扫描2D 稳态自由进动（FIESTA）序列时，当层厚设置薄到一定程度时，TR、TE会随之延长。 图片说明：射频脉冲与层厚及层面间位置偏移的关系。左侧示意图表明当射频脉冲的带宽△f固定时，随着选层梯度的场强增加（斜率变陡）选择的层面厚度越薄，而随着选层梯度场强变低（斜率变平坦）则选择的层面厚度越厚。右侧示意图说明以梯度的等中心点（物理上过磁体中心的点）为参考点所选择的层面作为参考平面，与该层面偏移距离为δz时频率偏移δf的计算方法。 2、层面偏移时射频脉冲的频率偏移：在磁共振成像过程中，对于相应所选择的一组层面而言，总有一些层面会偏移在磁体和梯度物理中心以外。在梯度的物理中心即过磁体中心的点梯度场强度为0，此时射频脉冲的中心频率就是对应主磁场磁感应强度B0的拉莫尔频率f0，可以把这个频率称为标称拉莫尔频率。事实上在实际扫描过程中很多成像层面会偏移在这个真正的中心点层面之外，这时所发射的射频脉冲频率必须在这个标称中心频率f0之上进行调整。在上面右侧示意图我们可以通过相似三角形的原理得到以下比例关系： 前面我们提到了另外一个重要公式：△f=(γ/2π)*Gss*Sth，这里的Sth就是上图中的△z。于是我们可以推导出以下两个重要的公式： 第一个公式显然根据扫描层面与参考中心层面之间的位置偏移可以计算出需要调整的频率值；而第二个公式可以解释很多成像过程中的现象。譬如，如果我们选择的成像范围过大或者由于各种原因导致梯度的线性遭到破坏，都可能导致实际扫描层面位移和预计位移出现偏差，这种偏差是由于局部的梯度场线性度变差，导致相应层面组织进动频率偏移，使用正确的激发脉冲频率却会激发错误的层面，这往往是导致层面间周边信号伪影的原因。这个公式另一个重要的意义是帮助我们理解层面间水脂化学位移伪影。虽然在讨论化学位移伪影时讨论更多的是发生在层面内的化学位移伪影，但实际上在层面间也可以发生化学位移伪影。对于我们所选定的同一层面而言，如果其中同时含有水和脂肪，水和脂肪中的氢质子存在着一定程度的化学位移，如在3.0T上会有440Hz的频率差别，这个频率差别δfcs就可以导致层面方向的位移δzcs，这里的角标cs强调的是因为化学位移所导致的频率差和层面位置偏移。这里我们可以定性地看到当使用较弱的选层梯度时，由水和脂肪的化学位移所导致的化学位移伪影也越明显。    天师论道 |
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