第二章 射频脉冲与脉冲序列(1)

第二章 射频脉冲与脉冲序列（1）

磁共振成像时对同一层面组织将重复地进行RF 激发，每次激发后，随之出现弛豫过程。一般情况下，在成像过程中处在相同层面（Z 轴位置相同），但处在不同Y 轴位置的体素所接受的RF 激发的频率是一样的，只是时间有先后，相位有差异。因此，要进行第二次激发时，必须等待第一次激发后的回波采集完成，这种相邻时间内重复使用脉冲序列的间隔时间，称为脉冲重复时间（Time of Repetition，TR ）。TR 时间影响被RF 激发后质子的弛豫恢复情况，TR 长、恢复好。TR 延长，信噪比提高，可允许扫描的层数增多，T 2影响（加权）增加，T 1影响（加权）减少，但检查时间延长；TR 时间缩短，检查时间缩短，T 1影响（加权）增加，信噪比降低，可允许扫描的层数减少，T 2

影响（加权）减少。

磁共振成像就是要对每次RF 激发后的回波进行采集，通过对采集到的回波进行时间、频率、相位、强度等数据的分析和计算而获得磁共振图像，每次RF 激发到回波采集的间隔时间就叫回波时间（Time of Echo，TE ）。在MRI 成像时，回波时间与信号强度成反比，TE 延长，信噪比降低，但T 2权重增加。TE 缩短，信噪比增加，T 1权重增

加，T 2对比减少。

1．自旋脉冲回波序列

1.1自旋回波脉冲序列（spin echo，SE ）

自旋回波序列简称SE 序列，是目前磁共振成像最基本，最常用的脉冲序列。SE 序列采用90°和180°的组合脉冲形式对人体组织进行激发。SE 序列的过程是先发射一个90° RF脉冲，在第一个90°脉冲后，间隔TE/2时间后再发射一个180° RF脉冲，此后再

经过TE/2时间间隔就出现回波信号，即可测量（接受）回波信号的强度。从90°RF 脉

冲到接受回波信号的时间称回波时间，即TE 时间，两个90°RF 脉冲之间的时间称重复

时间，即TR 时间。

在第一个90°脉冲后，在B 0作用下形成的Z 轴上的M 0被翻转到XY 平面上，RF 终止后，Z 轴上的磁距逐渐恢复，XY 平面上的磁距逐渐消失。XY 平面上的磁距衰减或消失就是自由诱导衰减（FID ），是T 2*衰减，受到组织T 2值和磁场不均匀等因素的综合影响，造成的质子群的进动频率快和慢的差别，结果他们的相位分散，信号难以采集和成像。SE 序列中，在90°脉冲后的180°脉冲可使XY 平面上的磁距翻转180°，产生

重聚焦的作用，可使相位离散的质子群在XY 平面相位重新趋向一致，消除因磁场不均匀导致的T 2*衰减，而且重聚焦时达到的XY 平面磁距峰值就较大，可被磁共振线圈测得，此时测得的信号强度值就是MRI 图像中的亮度值。180°脉冲通常在TE 时间的一半发出，180°脉冲后横向上的磁距又将重新汇聚增大，测量180°脉冲后再聚焦XY 平面上的磁距值是SE 序列形成MRI 图像亮暗灰度差别的最基本原理，使用180°脉冲对横向磁

距重聚焦是其特点。

1.2 T 1加权像

T1加权成像时要选择较短的TR 和TE 值，一般TR 为500ms 左右，TE 为20ms 左右，能获得较好的T 1加权图像，简称T 1像，有时简写为T 1WI 。T 1加权图像就是反映组织T 1值差异的MRI 图像。由于人体组织存在组成成份和组织结构的千差万别，我们在磁共振成像时选择适当的参数，将能反映某一层面上各种组织的T 1差别，这时的MRI 图像就是T 1加权图像。要形成T 1加权图像，在成像时要对MRI 机选择和设定适当的成像参数，就象拍照片时要先选择好光圈和快门速度一样。但是，MRI 机要设定的成像条件要复杂得多，主要是脉冲序列、脉冲重复时间（TR ）及回波采集时间（TE ）等。 在SE 序列中，90°脉冲后各种组织的纵向Z 轴上的磁距值逐渐恢复，如TR 较短时，也就是相邻两次90°脉冲之间的间隔较短，T 1时间较长的组织的纵向磁距大部分尚未恢复，SE 序列中180°脉冲是在TE 时间的一半值激发的，再聚焦后出现的横向磁距就小，所以测得的信号强度值较小。因此，短TR 和短TE 的SE 序列主要反映组织间两次90°脉冲后纵向Z 轴上恢复的磁距大小，受T 2值影响小，也就是形成T 1加权图像。当TR 时间较长时，各种组织的纵向Z 轴上的复原均较完全，此时组织T 1值不同对图像的影响很小，就不是T 1加权图像了。所以，SE 序列T1加权成像时要选择较短的TR 和TE 值，一般TR 为500毫秒（ms ）左右，TE 为20ms 左右，能获得较好的T 1加权图像。

1.3 T 2加权像

T 1加权成像时要选择长TR 和长TE 可获得T 2加权图像，具体地说，TR 为2500ms ，TE 为100ms 左右时，主要反映组织T 2值不同的MRI 图像称为T 2加权图像，简称T 2 像，有时简写为T 2WI 。T 2像的形成主要通过设定MRI 成像参数来实现，选择适当的成像序列、TR 值和TE 值就可。在 SE 序列中，TR 长短实际上是提供组织纵向磁距复原时间的长短，当TR 时间较长时，各种不同组织的纵向磁距均已基本恢复，T 1对图像形成的影响减少。在90°脉冲后，组织因T 2弛豫和磁场不均匀的影响，横向磁距快速衰减和消失。但是，180°的脉冲重聚焦作用使横向磁化又复出现，这样可消除因磁场不均匀导致

的相位快速改变的横向去磁化作用，此时复原的横向磁距不会与90°脉冲激发后瞬时的量值一样，原因就是真正的T 2弛豫在发生作用。在TR 足够长时，我们可使用多个180°脉冲，对90°脉冲后的横向磁距反复再聚焦，形成多个回波信号，这时T 2值长的组织因横向磁距仍然存在而出现回波信号，在 MRI 图像上出现了高信号，而T 2时间短的组织在后面的180°脉冲激发时几乎不再有回波信号。所以，在T 2加权MRI 图像上，T 2值长

的组织呈高信号，T 2值短的组织呈低信号

1.4质子密度加权像N （H ）加权像

一般采用较长TR 和较短TE 时可获得质子密度加权图像，具体地说，TR 为2 500ms左右，TE 为30ms 左右时，SE 序列成像可获得较好的质子密度加权图像。

质子密度是反映单位组织中质子含量的计量值，也就是说单位组织中的质子含量多少。特别提醒的是质子密度高的组织不一定重量大，如脂肪组织，质子密度很高，但重量是较轻的。质子密度低的物质可以是重量大的人体骨组织，也可以是重量很轻的空气。由于磁共振成像是一个对氢原子的激发和回波采集过程，组织的质子密度与MRI 图像中的信号有直接的关系。所以，质子密度低的组织在MRI 图像中一般都为低信号的黑

影。

选用比受检组织T 1长的TR 那么质子群磁化在下一个周期的RF 脉冲到来时已全部得到恢复，这时回波信号幅度与组织T 1无关，而与组织的质子密度和T 2有关。再选用比受检组织T 2明显短的TE ，则回波信号幅度与质子密度（即氢原子数量）有关，这种

图像称为质子密度加权像。

在MRI 成像中，没有质子则MR 信号一定很低，但组织的质子密度高不一定呈高信号，这是因为影响信号高低还有T 1、T 2等其他因素。如果两种组织质子密度都很高，信号却不一定有差别。我们做MRI 成像是要发现两种组织的信号差别，而不是单纯获得信号，实际上各种软组织的质子密度差别大多不如其T 1或T 2值相差大，所以目前许多情况下医生更重视T 1或T 2加权图像。在SE 序列中，TR 短才能形成T 1加权图像，TR 长就消除了T 1值对图像的影响，但TR 长是形成T 2加权图像的一个条件，TR 长还需要TE 长，才能更好地显示组织T 2值的不同。如果此时TE 太短，就不能反映T 2值的不同，那么此时TR 较长T 1值影响不大，TE 较短T 2值影响也不大，这时的MR 图像上信号强度差别主要由组织间质子密度不同所致，这就是质子密度加权成像。在具体工作中，T 2加权成像序列的第一个回波或第二个回波形成的图像就是质子密度加权图像，可

以在T 2加权成像序列中增加一个短TE 的回波就可以了，无需为了质子密度而专门做一

个序列的成像。

2．反转恢复脉冲序列

2.1反转恢复脉冲序列的理论基础

反转恢复序列（inversion recovery，IR ）包括一个180°反转脉冲、一个90°激发脉冲与一个180°复相脉冲组成。反转恢复脉冲序列IR 先使用一个180°脉冲激发M0，使质子群的磁化矢量由顺磁场取向的纵（Z ）翻转至负Z 。当RF 停止后M （磁化矢量）将逐渐恢复，组织间T 1差别可以较使用90°脉冲更好地显现出来，因此IR 序列主要是反映组织间T 1值的不同。在第一个180°脉冲之后，IR 序列还使用一个90°脉冲序列来对纵向磁距进行90°翻转，180°脉冲与此90°脉冲之间的时间间隔称为TI （Inversion Time）反转时间。90°脉冲后就和SE 序列一样在TE 时间的一半值再使用一个180°脉冲实现横向磁距再聚焦和信号读出。所以，IR 脉冲相当于在SE 脉冲序列前使用一个180°脉冲来先行翻转激发。IR 成像时，第一个180°脉冲后，经过TI 时间的弛豫，有些T 1值较长的组织，纵向磁距尚处于负值，有些组织T 1时间较短，纵向磁距可能已恢复至正的某一值，但无论纵向磁距恢复到正值或负值，90°脉冲后在XY 平面上的磁距值是其绝对值。因为，只有此绝对值才与采集到的信号强度和频率有关，也就是说这两种组织的信号强度值是一样的。所以，TI 对图像信号的形成非常重要。T 1如果较长，大部分组织的纵向磁距已恢复至正值，这时T 1值对图像信号对比起决定性作用，形成T 1加权像。但是，IR 形成的T 1加权像因T 1的参与，费时长，信噪比低，一般不常用。如果T 1较短，可能不同组织恢复到正值和负值的绝对值相仿，90°脉冲后的信号强度值就相差不大，也就是说组织T 1值对图像的影响很小，形成的图像就是T 2加权像。由于存在部分组织在TI 时间里正好恢复至0值附近的情况，这部分组织的信号就会很弱。所以，IR 图像的信噪比一般较低。IR 脉冲序列的主要优点是T 1对比度效果好，SNR 高。缺点是扫描时

间长。

IR 序列的成像参数包括反转时间（time of inversion，TI ）、TE 、TR 。TI 为初始180°RF 脉冲与90°RF 脉冲之间的间隔。操作者在成像时可控制这三个脉冲间的延迟时间，从而

决定图像的加权特性。

TI 是IR 序列图像对比的主要决定因素，尤其是T 1对比的决定因素。TI 的作用类似于SE 序列中的TR ，而IR 序列的TR 对T 1加权程度的作用相对要小，但TR 必须足够

长，才能容许在下一个脉冲序列重复之前，使M z 的主要部分得以恢复。由于IR 序列对分辨组织的T 1值极为敏感，所以传统IR 序列一直采用长TR 和短TE 来产生T 1WI 。TE 是产生T 2加权的主要决定因素，近年来在IR SE序列中应用长TE 值也能获得T 2WI 。尽管如此，IR 序列主要还是用于产生T 1WI 和PDWI 。IR 序列典型的参数为TI ＝200~800ms，TR ＝500~2500ms，TE ＝20~50ms。选TI 值接近于两种组织的T 1值，并尽

量缩短TE ，可获得最大的T 1WI 。通常TR 等于TI 的3倍左右时SNR 好。

IR 序列可形成重T 1WI ，可在成像过程中完全除去T 2的作用，可精细地显示解剖结构，如脑的灰白质，因而在检测灰白质疾病方面有很大的优势。目前IR 序列除用于重

T 1WI 外，主要用于两种特殊的MR 成像，即脂肪抑制和水抑制序列。

2.2短TI 反转恢复脉冲序列（short TI inversion recocery，STIR ）

STIR 脉冲序列是IR 脉冲序列的一个类型，特征是选择特殊的TI 值。主要用途是在T 1WI 中抑制脂肪的短T 1高信号，即脂肪抑制。IR 序列成像时TI 对组织信号形成有决定性作用。当脂肪组织在180°脉冲后，将进行纵向磁距恢复过程，由于脂肪组织具有很短的T 1值，纵向磁距恢复较快，当纵向磁距从负值恢复至零水平时，给予90°脉冲和其后的180°脉冲进行图像信号激发和采集，也就是选择T 1值正好与脂肪组织纵向磁距从负值恢复到零水平所需时间，这时脂肪组织就没有信号，达到了选择性抑制脂肪信号的目的。一般脂肪抑制IR 序列中的TI 选择100ms 左右，这种短T 1的IR 序列叫STIR （Short T1 IR）序列。当然除了脂肪组织外，如果T 1值选择合适，将能选择性抑制其他

组织信号。

STIR 序列可用于抑制骨髓、眶窝、腹部等部位的脂肪信号，更好地显示被脂肪信号遮蔽的病变，同时可以鉴别脂肪与非脂肪结构。另外，由于脂肪不产生信号，STIR 序列也会降低运动伪影。用于脂肪抑制时，在1.5T 场强设备中TI 设置应接近于170ms 。用STIR 方法获得的肩关节脂肪抑制图像，其含脂丰富的肱骨黄骨髓信号以及皮下脂肪

被抑制，可以突出显示关节软骨的信号。

2.3液体衰减反转恢复脉冲序列（FLAIR ）

另一种以IR 序列为基础发展的脉冲序列称为液体抑制的（也有称流动衰减）反转恢复（fluid-attenuated inversion-recovery，FLAIR ）序列，该序列采用长TI 和长TE ，产生液体（如脑脊液）信号为零的T 2WI ，是一种水抑制的成像方法。FLAIR （Fluid Attenuation IR）序列是IR 序列与FSE 结合的组合序列。在FSE 序列前，先给予一个180°脉冲对纵向磁距进行翻转，选择较长的TI 时间，可使游离水（T 1较长）的纵向磁距处

于零水平时启动后续的FSE 序列，达到选择性抑制水信号的作用。这时，脑脊液呈低信号，但脑组织中水肿的组织或肿瘤组织仍像T 2加权一样呈高信号，由于脑脊液是T 2加权图像上的主要高信号来源，脑脊液信号的降低将突出脑组织中病变组织的高信号，所

以目前FLAIR 序列在临床上应用较多。

在1.5T 场强设备中FLAIR 序列的TI 大约为2000ms 。一旦脑脊液信号为零，异常组织、特别是含水组织周围的病变信号在图像中就会变得很突出，因而提高了病变的识别能力。另外，由于普通SE 序列T 2WI 中，延长TE 会造成因脑脊液搏动引起的伪影和部分容积效应增加。所以，设置的TE 不能太长。而在FLAIR 序列中，由于脑脊液信号为零，TE 可以较长，因而可获得更重的T 2WI 。目前FLAIR 序列常用于脑的多发性硬化、脑梗死、脑肿瘤等疾病的鉴别诊断，尤其是当这些病变与富含脑脊液的结构邻近时。