三维快速自旋回波成像技术——SPACE

李国斌，张卫军

自从德国弗莱堡大学的Jurgen Hennig等人在1986提出了快速自旋回波(turbo spin echo，TSE) 成像技术以来，TSE已经成为磁共振成像中必不可少的工具，在常规临床扫描中，超过30%的协议(protocol) 都基于TSE。虽然相对于普通自旋回波(spin-echo，SE)，TSE的数据采集速度已经有所提高，但在应用于三维成像时，其扫描时间仍可能长达几十分钟，临床上难以接受。TSE采集效率的限制主要来自于： ①回波链不能太长，一般在30以下，否则T2衰减带来的模糊效应很严重；②射频能量吸收率(specific absorption rate，SAR)很高，尤其是在超高场系统上，比如3 T系统。

在2000年，美国维吉尼亚大学的John Mugler等提出并首先在西门子系统上实现了SPACE (sampling perfection with application-optimized contrasts by using different flip angle evolutions，SPACE)三维快速自旋回波成像技术[1,2]，通过在回聚脉冲中使用可变翻转角 (variable flip angle) 的设计，成功解决了上述TSE留下来的难题。简单来说，SPACE技术具有如下几个特征：①基于TSE成像技术，即一次激发，采集若干个回波，可以获得TSE的对比度；②采用可变翻转角的超长回波链采集，根据磁共振信号衍化的基本原理，优化的变翻转角模式可以克服T2衰减效应，避免长回波链带来的模糊效应，而且由于回聚脉冲不再是统一的大角度，SAR也显著降低，所以即便是在3 T系统上，SPACE的回波链长度(ETL)也可以轻松达到几百以上；③SPACE针对质子密度对比度，T2以及T1对比度设计了不同优化的可变翻角模式；④SPACE优化了序列的设计，例如采用硬脉冲作为回聚脉冲，回波间隔(echo spacing)很短，相同的时间内，允许采集更多的数据。

具备上述的技术优势，SPACE提供了快速高分辨率的三维TSE对比度成像；其在临床上的应用越来越广泛，从开始的头部扫描，延伸到腹部[3]，以及骨关节成像，甚至到血管成像， 满足高精度的诊断需求。下面通过一些典型应用来介绍SPACE技术的发展阶段，盘点目前研究热点，展望将来的发展方向。

1 头部成像

头部T2加权成像是SPACE技术最早成功应用的例子。其优化的原理是：基于脑组织的T1和T2信息，先预设回波信号强度的变化曲线，根据布鲁赫方程用迭代算法反演出翻转角的变化模式。目前头部扫描中，SPACE能提供成熟的T2以及T1加权的、各向同性的高分辨率的成像(见图1、2)。在T1加权扫描中，SPACE引入独特的DEFT脉冲设计[4]，进一步确保了对比度在长回波链采集的情况下不失真。

2 脊椎成像

图1 SPACE头部T2加权成像, 3.0 T MAGNETOM Verio系统，矢状位扫描，冠状位以及横断位为MPR重建后图像，分辨率0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm， 扫描时间4 min 40 s

图2 SPACE头部T1加权成像，3.0 T MAGNETOM Verio系统，矢状位扫描，冠状位以及横断位为MPR重建后图像，分辨率1.0 mm×1.0 mm×1.0 mm， 扫描时间4 min 29 s

图3 SPACE胸椎T2加权成像，3.0 T MAGNETOM Verio系统，矢状位全选择性回聚法采集，冠状位以及横断位为MPR重建后图像，分辨率0.9 mm×0.9 mm×0.9 mm， 扫描时间4 min 46 s

在厚片选择性采集时，如脊椎成像(见图3)，SPACE提供两种可选采集方式[5,6]：①选择性激发加非选择性回聚，结合相位循环技术(phase cycling)去除由非选择性回聚引入的自由感应衰减(free induction decay，FID)信号伪影；②选择性激发加全选择性回聚。

两种方法各有利弊：非选择性回聚法，回波间隔小，相同时间内数据采集效率比全选择性回聚法高，因而信噪比更好，但由于需要至少两次平均去除FID信号伪影，所以总的采集时间比全选择性回聚法更长，而且由激发时脂肪信号的化学位移导致的伪影在非选择性回聚法中较难以去除。全选择性回聚脉冲支持多厚片交替采集模式，这是另一种加快SPACE扫描速度的方法[7]。

3 关节成像

针对于关节成像，SPACE提供优化的PD加权模式，图4是一例膝关节扫描的例子。新的K空间灵活重排算法，尤其是移位式径向重排 (shifted radial reordering)[8]采集的引入，显著提高了中等T2组织，如关节软骨等的成像质量。传统的中心径向重排(centric radial reordering) 技术应用于多回波采集时，第一个或最后的回波必须置于K空间中心。如果有效TE不在两端，中心径向重排将不再适用，而只能采用图像质量较差的线性重排技术(linear reordering)，而移位式径向重排则是中心径向重排和线性重排的优势互补。

图4 SPACE膝关节PD加权压脂成像，1.5 T MAGNETOM ESSENZA系统，矢状位扫描，冠状位以及横断位为MPR重建后图像，分辨率0.7 mm×0.7 mm×0.7 mm， 扫描时间5 min 50 s。 该扫描采用了移位式径向采集，经过重建的图像可以更直观地显内侧示半月板桶柄样撕裂

图5 1.5 T MAGNETOM ESSENZA 系统。

4 水成像

如图5所示，重T2加权的SPACE在水成像，例如磁共振胰胆管造影[3]、泌尿系造影以及椎管造影等方面也显示出其优势。

5 血管成像

近年来，SPACE技术被越来越广泛地用于血管成像，NATIVE-SPACE就是一个典型的例子[9,10]。NATIVE-SPACE是一种无需对比剂的动脉血管成像技术，通过分别在心脏收缩期和舒张期各采集一组图像，相减得到动脉像(见图6)，而且SPACE本身的变翻转角回聚脉冲模式增加了对流动的敏感性[11]。另外，SPACE也被广泛应用于血管壁成像，取得了不错的效果[12,13]。

可以看到在临床应用上，相对于二维TSE成像，SPACE具有如下几点优势：①真正的高分辨率。通常二维TSE成像能够提供相当高的层面内分辨率，但层厚一般都在3 mm以上，再考虑到层间距，层面方向的分辨率进一步降低，体素的这种几何形状在一定程度上使其层面内高分辨率丧失了意义。细小的病灶极有可能由于部分容积效应而被掩藏起来。SPACE的扫描一般提供各向同性的分辨率，不仅减轻了部分容积效应，而且支持任意平面重建，实际上提高了成像效率。②高信噪比。二维成像中选择较厚的层片，部分源于硬件的限制，例如最大选层梯度的局限，而信噪比的制约也是一个原因，以牺牲层面方向的分辨率换取层面内高分辨率。与二维成像不同，三维激发的信号区域一般较大，信号强度极高，其信噪比足以支持所有维度的高分辨率成像。③高采集效率。三维成像允许SPACE采用超长回波链，长度甚至达到1000以上[14]，二维中由于受相位编码步限制，是不可能实现的。而且三维成像为并行采集和K空间重排提供更大自由度，具备更高的加速潜力，这都是二维成像的局限所在。

随着硬件的不断发展，并行采集加速因子越来越高，以及新的采集技术[7,15]，例如Compressed Sensing等的不断成熟，三维成像的速度将越来越快，SPACE技术将会在临床中得到更广泛的应用。

[1]Mugler JP III, Kiefer B, Brookeman JR.Threedimensional T2-weighted imaging of the brain using very long spin-echo trains In: Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine.Berkeley,Calif: ISMRM, 2000: 1630

[2]Mugler JP III, Meyer H, Kiefer B.Practical implementation of optimized tissue specifi c prescribed signal evolutions for improved turbo-Spin Echo imaging.In: Proceedings of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine.Berkeley, Calif: ISMRM, 2003: 203.

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