双梯度磁共振系统梯度模式选择的策略

倪萍，陈自谦，张鲁闽,马继民

南京军区福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像中心，福建 福州 350025

双梯度磁共振系统梯度模式选择的策略

倪萍a，陈自谦b，张鲁闽a,马继民a

南京军区福州总医院 a.医学工程科；b.医学影像中心，福建 福州 350025

双梯度磁共振系统通过两套独立的梯度线圈设计，解决了快速扫描和大线性范围的矛盾，使梯度性能大幅提高。本文介绍了双梯度系统的工作原理，说明了梯度模式选择的一般原则，快速稳态进动序列以及采用过采样技术时的梯度模式的选择策略。

磁共振设备；双梯度系统；图像噪声；质量控制

1 双梯度磁共振系统发展现状

随着各种磁共振设备的硬件和高级临床应用软件的不断创新，磁共振扫描的技术和临床应用都呈现加速发展的态势。磁共振一直面临临床和科研领域的一些挑战，如伪影问题、心脏等运动器官的成像、功能与分子影像等都逐渐得到解决，这些都离不开梯度系统性能的不断提高。梯度强度、梯度切换率和爬升时间是梯度系统重要的性能指标，它决定了最小层厚、最短的回波时间以及重复时间等，不仅影响成像时间，而且决定图像的空间分辨率。梯度系统的发展主要朝着高线性与快速响应的方向发展，以适应快速扫描序列中梯度脉冲快速上升和翻转的需要，目前，梯度强度已达到30～40mT/m，有的甚至达到60mT/m；梯度切换率达到200mT/m/s或更高[1-2]。

为了追求尽可能快的扫描速度，各个厂家都不断提高梯度场的强度和切换率。由于梯度场的快速开关会对人体造成刺激，包括快速切换产生洛伦兹力带来的强大噪声，以及人体感应电流对神经末梢的电刺激等，因此，它的发展有个极限，必须在受检者的生理忍受的安全极限之内，图1表示了梯度线圈长度和周围神经刺激（PNS）的安全范围的关系。曲线下方代表临床应用的安全区域，线圈越 短，临床检查的安全范围越大，也就是说对于较短的梯度线圈，可以实现较高的梯度性能。短梯度线圈高性能的同时安全性好，缺点是扫描范围小；长梯度线圈扫描覆盖范围大，适合肥胖病人，但是受到安全限制无法使用高性能梯度。那么是不是有两全之策？于是出现了双梯度系统，就是在主梯度线圈内增设一个较短的梯度线圈，可以根据需要分别工作，对于头部和心脏等对扫描速度要求较高的小范围检查，使用短梯度线圈实现高性能；对于体部等扫描范围较大的部位，特别是肥胖病人，则使用大的梯度线圈，这样可以实现各自的功能。

图1 梯度线圈长度范围与周围神经刺激（PNS）曲线的关系

2 双梯度系统工作原理

目前的双梯度已出现3种形式：① 在磁体内增加一套与主梯度不同的短梯度线圈，称为非对称式双梯度。② 在磁体内增加一套与主梯度相同的梯度线圈，称为对称式双梯度。③ 在头线圈或表面线圈上附加一个梯度线圈，称之为复合的线圈系统，也称其为组合线圈。它的梯度场可高达60mT /m、切换率超过400mT/m/s，特别适于在高场设备中实施功能成像。

双梯度技术的采用，在实现最佳成像性能的同时大大提高了病人的流通量，革新的技术优化了每一次扫描的时间、信噪比、分辨率和图像质量。使用者能在两种梯度模式间自由切换（精细扫描和全身扫描），进而提高空间分辨率、信噪比和扫描覆盖范围。不仅进一步提了高梯度系统的性能，而且有效地减少了梯度场对人体的刺激，特别适合于头部及心脏的功能性检查。

3 梯度模式选择的策略

双梯度系统磁共振的应用提高了系统的梯度切换率，进一步缩短爬升时间，使得系统所能实现的各个序列的最短TR、TE时间进一步缩短，提高了空间分辨率和时间分辨率，提升了磁共振在心血管系统和神经系统的应用能力。在实际工作，双梯度系统的应用需要比常规的系统多一种考虑和选择，只有真正的理解双梯度系统地工作原理，并加以灵活应用，才能充分发挥双梯度系统的优势。

3.1 一般原则

GE公司在其新产品Signa TwinSpeed、Excite 系列磁共振系统中成功地应用了这一技术。在两套梯度系统中，一套为高梯度40mT/m和高切变率150 mT/(m×ms)的小梯度，专门用于高级心血管/神经系统功能成像等高时间分辨率和一些以小视野（FOV）（内耳等小器官）的高空间分辨率精细扫描，被称为梯度的Zoom模式，它的Z轴覆盖只有35cm线性范围；另一套为低梯度场（23mT/m）和低切换率[80 mT/(m×ms) ]的大梯度，主要用于腹部、脊柱等大范围成像，称为Whole模式，Z轴覆盖达到48cm线性范围。两套梯度是分别工作的，扫描时在梯度切换柜的控制下可在两种模式间自由切换，共用一个梯度功率放大器。

从扫描部位来说，心脏扫描时为了克服运动伪影，必须采用高性能梯度和快速成像序列，如FIESTA、FGR等。血氧水平依赖功能磁共振成像BOLD-fMRI和弥散加权成像DWI等高级脑功能成像也要求有很高的梯度切换率，才能达到一定的时间分辨率[3-4]。高级的神经血管成像、内耳成像等，要求有极高的空间分辨率，因此，它们都必须采用高性能的Zoom梯度模式，在较高的时间和空间分辨率的同时，短梯度线圈减少对病人的周围神经刺激。脊柱、肩关节、腹部、四肢的冠状位和矢状位等为了实现大范围扫描，一般采用Whole梯度模式，即可以满足临床需求，而且梯度的线性范围大，图像变形小。

从脉冲序列来说，常规的自旋回波SE、快速自旋回波FSE、梯度回波GRE、平面回波成像EPI对梯度性能没有特别高的要求，轴位扫描时可以灵活选择梯度模式。冠状位和矢状位的扫描可以选择Whole梯度模式，以获得较大的扫描范围和较好的线性，减少图像失真，特别是Z轴的偏中心扫描时必须采用Whole梯度模式，以免成像部位超出线性梯度的覆盖范围，造成图像失真以及非线性伪影。对于快速扫描序列以及薄层扫描序列，如快速梯度回波FGRE、弥散加权成像DWI、快速EPI、单次激发快速自旋回波SSFSE等，必须采用Zoom模式才能获得较短的回波时间和重复时间，满足空间和时间分辨率的要求[5]。

3.2 快速稳态进动序列的梯度选择

快速稳态进动采集成像（Fast Imaging Employing STeadystate Acquisition，FIESTA）是一种真正的平衡稳态脉冲序列，选层梯度和读出梯度均采用1-2-1平衡设计，使相位完全重聚，不存在匀速流动相关的失相位，使CSF和血流信号增强。

采用极短的重复时间TR，要求TR远远小于组织的T2，扫描速度非常快，横向和纵向磁化矢量都对信号作出贡献，SNR高而不受短TR影响。该序列具有特殊的对比度，脑脊液、水、脂肪表现为高信号，骨骼肌、心肌表现为低信号。2D FIESTA可用于心脏电影成像和腹部屏气扫描，3D FIESTA可用于胰胆管成像、内耳道成像、阻塞性脑积水和椎间盘脱出的成像[6]。

BH FIESTA序列对梯度的性能要求很高，只有高性能的梯度才能获得好的图像，要求采用尽可能短的TR、TE，即采用精细扫描模式。梯度Whole的最短TR为5.3ms、TE为1.8 ms；梯度Zoom的最短TR为3.2 ms、TE为1.4 ms，

一般的头部、心脏等部位扫描可以直接将梯度模式设为Zoom。FIESTA用于腹部冠状位扫描时，采集范围FOV最好小于35cm，这样可以用Zoom模式，缩短TR、TE。用Whole模式会造成TR、TE延长，层厚变厚，图像信噪比减低，而且容易引入伪影（图2）。

图2 FIESTA序列下的不同梯度模式扫描图像

3.3 过采样时梯度模式的选择

只要解剖结构大于FOV时，来自FOV之外的信号经过图像重建后出现在其实际位置的对侧，出现卷褶伪影（图3）。

这是由于机器所发出RF脉冲的同时也激活了兴趣区以外的原子核，而机器不能识别带宽以外的频率，任何超出范围外的频率将同带宽内的一个频率相“混叠”，从而使它们发射出来的信号具有相同的相位，系统对这些数据加以收集并对此信号产生错误映射[7]。

通常采用无相位卷褶（NPW）来防止卷褶伪影，有的厂家称之为过采样 （Oversampling）。使用此项技术后，系统采样时会自动将FOV扩大1倍，包含全部解剖学结构，重建时系统仅重建图像中间的一半，丢弃指定FOV以外的区域采集的数据。采用过采样技术时FOV和相位编码的步骤数目都会增加1倍，所以像素尺寸会保持不变，相位编码数目增加1倍就会使采集时间增加1倍，所以把激励次数减半，因此，分辨率、信噪比或采集时间都保持不变[8-9]。

图3 过采样技术扫描图像

采用过采样技术后，实际采集的FOV是设定FOV的2倍。因此，要求Z轴有更大线性范围，所以必须采用大范围的Whole模式，否则容易产生非线性伪影。最常见于脊柱和盆腔的矢状位扫描，如果按照常规相位编码设为前后，腹壁运动或脑脊液搏动会产生严重的运动伪影。为了克服伪影必须将相位编码方向设为头脚方向，这样相位编码方向解剖结构大于FOV，造成了相位方向的卷褶伪影，因此，必须加过采样技术，需要选择大范围的Whole梯度模式，而且FOV不能太大，以免2倍的FOV超出Whole梯度模式所能提供的48cm线性范围，产生非线性伪影（图4）。注：a 相位编码为前后，造成腹壁运动伪影；b 相位编码为上下，解剖结构大于FOV，产生卷褶伪影；c 梯度Zoom模式，线性范围小，产生非线性伪影；d 相位编码头脚，梯度Whole模式，适当的FOV，图像理想。

图4 盆腔扫描图像

4 结束语

高性能设备不一定就会有好的图像，还需要使用人员对设备性能和新技术的充分理解，才能正确地应用于临床得到好图像，解决临床诊断的难题。对于双梯度磁共振系统来说，如果没有理解双梯度的原理，没有掌握成像参数的意义，就无法正确选择梯度模式，那么双梯度磁共振不仅没有带来人们所期待的良好结果，反而会造成各种图像伪影。只有在充分理解的基础上进行扫描序列和参数的最优化，才能得到优质的图像，满足临床诊断的要求[10]。

在这方面，临床工程师负有很大的责任，除了保障设备硬件性能处于良好工作状态外，还需要对新技术进行不断地推广宣教，让医生和技术员真正理解，直至用好新技术，使设备各项性能得到充分的发挥。

[1] 倪萍,蔡华.磁共振成像设备新进展[J].医疗设备信息,2005,20(3):3-5.

[2] Peter Kochunov,Michael Duff Davis.Development of structural MR brain imaging protocols to study genetics and maturation[J].Methods,2010,50(3):136-146.

[3] Olaf Dietrich,Maximilian F.Reiser,Stefan O.Schoenberg.Artifacts in 3-T MRI:Physical background and reduction strategies[J].European Journal of radiology,2008,65(1):29-35.

[4] Daniel Gallichan,Jan Scholz, Andreas Bartsch,et al.Addressing a Systematic Vibration Artifact in Diffusion-Weighted MRI[J].Human Brain Mapping,2010,31:193-202.

[5] 倪萍,陈自谦,钱根年,等.BOLD-fMRI研究过程若干质量控制因素分析[J].医疗设备信息,2007,22(12):6-9.

[6] Priya Bhosale,Jingfei Ma,Haesun Choi.Utility of the FIESTA Pulse Sequence in Body Oncologic Imaging:Review[J].AJR 2009,192(6):S83-S93.

[7] Ray H.Hashemi,William G.Bradley,et al. MRI原理[M].伊建忠,译.天津:天津科技翻译出版公司,2004.

[8] Cungeng Yang,Weiran Deng,V.Andrew Stenger. Simple analytical dual-band spectral-spatial RF pulses for B1+ and susceptibility artifact reduction in gradient echo MRI[J].Magnetic Resonance in Medicine,2011,65(2):370-376.

[9] B Zhang,D MacFadden,A Z Damyanovich,et al.Development of a geometrically accurate imaging protocol at 3 Tesla MRI for stereotactic radiosurgery treatment planning[J].Phys.Med.Biol.2010,55(22):6601-6615.

[10] 倪萍,陈自谦.磁共振质量保证和质量控制的若干问题探讨[J].中国医疗设备,2009,24(3):3-5.

Strategy of Choice of Gradient Mode of Twinspeed Gradient MRI

NI Pinga, CHEN Zi-qianb,ZHANG Lu-mina, MA Ji-mina
a.Medical Engineering Department;b.Medical Image Center, Fuzhou Genneral Hospital of Nanjing Military Region of PLA,Fuzhou Fujian 350025, China

By two independent gradient coils, twinspeed Gradient MRI solved the contradiction of fast scan and large FOV. The article introduced the principle of twinspeed gradient, and the strategy of choice of gradient mode.

MRI; dual gradient system; image noise; quality control

R445.2

B

10.3969/j.issn.1674-1633.2011.10.060

1674-1633(2011)10-0151-04

2011-02-28

2011-09-19

福建省自然科学基金项目（2009J01187）；福建省科学发展计划重点项目（2009Y0037）。

作者邮箱：nping6@sohu.com