腰椎及膝关节磁共振成像T2及质子密度加权图像质控因素探讨

黎丽 刘干辉 赵国栋 廖学清 陈琳

脊柱及关节磁共振成像是磁共振成像最广泛的临床应用部位之一。由于患者检查量日益增多与检查设备相对匮乏之间的矛盾使得临床工作中需要合理设定扫描参数并确保更优异的图像质量。在脊柱及关节成像过程中T2及P D加权图像是重要的组成序列，而在日常工作中这些序列可调的参数相对较多，也因此变得更复杂。如果扫描人员不能充分理解每个参数对图像的影响而任意修改参数，将从根本上降低图像质量并降低图像的诊断性能。本研究以最具代表性的腰椎和膝关节为研究对象，通过前瞻性的参数设置并对扫描图像进行回顾性分析，旨在阐明序列扫描过程中的质控因素。尽管在参数界面中有很多可以调整的参数，但据作者的工作经验，在扫描不同部位时操作者调整参数的目的会有所不同，在腰椎等脊柱T2加权序列扫描时操作者往往会通过回波链长度的调整来缩短扫描时间，同时为了获取更高的信噪比又可能同时降低接收带宽。而在关节扫描过程中为了更加清晰的显示细微结构，有部分操作人员会主观上增加矩阵。这些参数调整对最终的图像产生的影响,我们通过30例志愿者不同参数对比扫描来探讨。

1　材料与方法

1.1招募30 例志愿者进行腰椎及膝关节扫描。30 例志愿者中男18 例，女12 例，年龄25～47 岁，平均29.5 岁。30 例志愿者中除1 例有膝关节外伤史外余均为健康志愿者。扫描过程中所有志愿者可以完全配合并能很好制动。①所有志愿者在扫描前均进行严格的安全检查并排除磁共振检查禁忌证，同时向志愿者详细解释检查过程中可能的感受，如一定程度的工作噪音等；②事先设定好相关的扫描协议，腰椎扫描协议共设两组对照序列，一组是改变回波链长度：回波链长度17、回波链长度31，两组均采用相同的接收带宽41.57kHz，所用序列为FRFSE，TR 2 500ms，TE106ms；另一组是改变接收带宽：接收带宽分别为15.63kHz 和41.67 kHz，两组均采用相同的回波链长度23，所用序列为FRFSE，TR 2 500ms，TE 98ms；③膝关节扫描设定一组对照：采集矩阵分别为频率编码320 和512，所用序列为FRFSE，TR 2 025ms，TE 30ms，回波链长度7，接收带宽22.73 kHz。所有腰椎T2 像均进行矢状位成像，所有膝关节PD 像为冠状位成像。

1.2设备和方法 所用设备为GE公司Signa 1.5 THDxt磁共振，采用相控阵8通道CTL专用线圈和专用正交发射接收一体化膝关节线圈。

1.3质控因素 所有志愿者在扫描过程中均严格制动，部分在扫描过程中不自主运动的志愿者进行相关序列的重新扫描。

1.4图像分析 在不告知具体扫描参数或扫描方法的前提下由三位副主任医师对图像质量进行盲评并综合讨论后进行评分，图像质量：优异5分，良好4分，模糊或伪影干扰严重3分。腰椎T2加权像评判主要从椎间盘信号及组织对比、椎体边缘是否锐利三个维度进行评价，膝关节P D像主要从软骨、半月板和骨纹理三个维度进行评价。如果结果出现分歧，本研究采用少数服从多数原则。

2　结果

2.1腰椎T2加权像不同ETL对比 对比两组不同ETL腰椎T2加权图像，在回波链长度为17组获得5分者24例，椎间盘信号亮，椎体边缘锐利；4例4分者图像信噪比稍低，这4例志愿者相对偏胖，背部脂肪较厚；2例3分者图像内可见少许血管搏动伪影，该2例志愿者腰椎生理曲度偏大。见表1、图1。

表1　腰椎T2加权像不同ETL图像质量对比（例）

图1　不同回波链扫描图像

2.2腰椎T2加权像不同接收带宽图像对比 当接收带宽选择15.63 kHz时图像整体质量明显差，主要体现在图像对比度差，椎间盘信号不亮，椎体边缘模糊；而在接收带宽为41.67 kHz时整体图像质量评分高，23例被评为5分，被评为3分者仅2例，主要原因是图像中存在一定的伪影。见表2、图2。

表2　腰椎T2加权像不同接收带宽图像质量对比（例）

图2　不同接收带宽腰椎T2图像

2.3膝关节PD加权像不同矩阵图像对比 两组对比显示低矩阵组图像质量评分明显高于高矩阵组，高矩阵组图像整体细节显示差且信噪比明显偏低。低矩阵组中评分为3分的2例是因为图像中存在一定的血管搏动伪影干扰。见表3、图3。

表3　膝关节不同矩阵图像质量对比（例）

图3　不同矩阵膝关节图像

3　讨论

3.1有关FSE序列的几个基本概念 本组研究中所采用的脉冲序列是FRFSE即快速恢复、快速自旋回波，是在常规FSE序列基础之上施加一个180度加-90度脉冲，使得我们能够在相对短的TR时间内获得更加权重的T2及质子密度对比（Proton density，PD）。该序列的基础是FSE序列，其图像质量也主要有FSE序列的几个基本因素如回波链长度、信号接收带宽及采集矩阵等影响。在此我们有必要澄清FSE序列的几个基本概念。

3.1.1回波链长度 FSE序列在一个射频激发脉冲后会施加多个相位聚焦脉冲，所施加的相位聚焦脉冲的个数就是所说的回波链长度（Echo train length，ETL），有些公司称之为 FSE factor 或Turbo factor[1]。一般而言，在某一允许的固定扫描层数，回波链越长则对应的扫描时间越短，但一旦超过了允许的最大层数则扫描时间会增加甚至加倍。

3.1.2回波间隔 是指在FSE序列的回波链中相邻两个回波之间的间隔时间。回波间隔取决于频率编码矩阵、信号接收带宽[2]。当频率编码矩阵增大时系统在采集每个回波信号的时间都会延长。信号接收带宽决定了采集每个信号点的时间，简单理解信号接收带宽的倒数就是采集每个点的时间，所以一般接收带宽越大系统用以采集读出信号的时间就越短。但由于随着信号接收带宽的增大，系统所使用的频率编码梯度的场强就越高，而通常系统是在梯度爬升到平台期开始采集信号，那就意味着所使用的信号接收带宽越大，系统所需要的爬升时间就越长，对于回波间隔而言我们尚需把系统从所使用的最大梯度场强回归到梯度为零点的时间也计算进去，所以就某个系统而言总有一个拐点在达到某一接收带宽后回波间隔会逐渐延长。理解回波间隔在我们使用FSE序列时进行质量控制和参数优化至关重要。

3.2图像评分结果及质量控制因素

3.2.1腰椎T2加权像不同回波链对比 通过对比分析我们发现回波链长度为17这组图像质量明显优于回波链为31这组图像质量（如图1 C、1 D所示）。在FSE序列当选择一个回波链长度时便决定了信号采集的回波时间范围，对应TE时间的最小和最大，这个回波时间的采集范围不仅能够决定所获取图像的对比度，同时还能决定图像的信噪比和锐利度。对比图1 C和图1 D不难发现在ETL为17时椎间盘信号亮，椎体边缘锐利；而在ETL为31时椎间盘信号低，椎体边缘模糊，整体图像信噪比也偏低。在进行这两个序列成像时所使用的TR、TE、采集矩阵等完全相同，唯一的区别就是回波链长度不同。事实上当选择不同的ETL时尽管TE时间相同，但此时整个回波链的信号采集时间范围不同，如图1所示，ETL17时回波时间采集范围为13.4～152.2，而当ETL31时回波时间采集范围为13.4～277.5。在实际工作中很多操作人员常通过调整回波链长度来缩短扫描时间，但回波链过长会导致回波信号的采集时间过长，这种过长的信号采集时间一则会带来图像的模糊，而导致图像模糊的根本原因是图像对比度的严重下降[3]，二则会导致图像信噪比明显下降，尽管在参数界面内所看到的Rel.SNR并没有发生改变，但参数界面中的是相对信噪比，该相对信噪比没有把信号采集时间的延长所导致的信噪比降低计算进去。

3.2.2腰椎T2加权像不同接收带宽对比 接收带宽即操作界面上的B and width，它代表在读出梯度方向上的信号采集频率范围[4]。在不同公司采用了不同的表述方法，如在GE磁共振平台上显示的是半带宽，因此选择41.67 kHz时系统实际的采样频率范围是83.3 kHz。在其他厂商的磁共振扫描仪上通常给出的是像素带宽，如500 Hz/Pixel，这样要计算总带宽就需要用这个像素带宽乘以所使用的频率编码。根据Larmol方程可知采用的接收带宽越大，那么对应的梯度场强也就越强。也会带来两个方面的影响：一方面系统用于读取每个信号的时间变短，而另一方面爬升到所用的读出梯度场强耗费的时间会变长，这两者间是对立统一的，其平衡点取决于系统的梯度爬升率性能。

在未达到这个平衡点前采用窄带宽会导致回波间隔延长，而相对宽的带宽则回波间隔变短。本研究对比图2 C、图2 D可以发现当接收带宽为41.67时椎间盘信号亮，椎间盘内组织对比清晰，椎体边缘锐利，而当接收带宽为15.63时椎间盘信号低，椎间盘内组织对比度差，椎体边缘模糊。接收带宽发生变化会导致最小TE、最大TE和相对信噪比变化。如当带宽为41.67时对应的最小、最大TE和相对信噪比分别为：15.9、244.5、100%，而当带宽为15.63时对应的最小、最大和相对信噪比则为：30.2、462.6、163%。很多操作人员之所以会采用更小的接收带宽是因为把界面中的相对信噪比误认为是绝对信噪比。但是我们可以直观的发现当接收带宽变小时会导致回波间隔明显延长从而导致相同的回波链长度下信号采集的回波时间范围明显变大，当TE时间过长时不仅会导致图像对比度变差、图像模糊外，同时也可导致图像的实际信噪比下降。接收带宽变小会导致采集回波信号中每个点的时间延长，从而导致回波间隔变长[5]。参数界面中的相对信噪比和接收带宽的平方根成反比，当接收带宽从41.67缩小到15.63（此时变化的倍数是2.66倍），其相对信噪比会提高到原来的2.66的平方根倍即1.63。但系统无法计算，因为信号采集时间的延长所导致的信噪比下降，因此盲目的通过接收带宽而获取所谓高的信噪比是完全不可取的。3.2.3膝关节P D加权像不同矩阵图像对比 在高场磁共振进行骨关节扫描时通常会选择脂肪抑制质子密度加权像来显示软骨、半月板等精细结构。因为软骨、半月板的特殊结构决定其信号亮度具有高度的TE（回波时间）依赖性，换言之当选择比较长的TE时间时通常其由于病变而导致的高信号无法显示。以往在低场磁共振为了显示软骨、半月板这类结构一般会采用梯度回波序列来获取准T2加权像，因为梯度回波序列可以在相对短的TE时间内获取比较明显的类似T2对比。但是由于骨髓内有骨小梁等结构，加之骨髓成分的复杂性会产生比较明显的磁敏感效应，不利于显示骨髓内病变。在高场磁共振，因为拥有化学脂肪抑制技术，所以可以采用质子密度加权像结合脂肪抑制来更加清晰的显示软骨、半月板等精细结构。在使用质子密度加权像时一定采用相对短的回波链，同时要密切注意回波间隔变化，因为很多时候为了追求细节显示而不断提高采集矩阵，结果正好相反。对比图3可以发现频率编码矩阵为320的图3 E和图3 F在显示骨髓内病变及半月板病变明显优于频率编码为512的图3 C和图3 D。图3 C、图3 E骨纹理及半月板显示更加清晰，而图3 D、图3 F无论是骨纹理和半月板都显示不佳，图像整体模糊、对比度差。理论上提高频率编码矩阵时图像的像素会随之变小，这样图像的空间分辨率会有所提高，但实际结果相反。对比图3 A及图3 B的参数调整界面可以发现当频率编码矩阵为320时对应的信号采集时间范围为10.5和73.7，而当频率编码矩阵为512时对应的信号采集时间范围则为14.8和103.3，因为这是一个质子密度加权像，所以选择的TE时间是30。显然当频率编码矩阵为512时导致回波间隔时间延长从而导致信号采集时间范围明显偏大，这样一味增加频率编码矩阵不仅未能获取更高的分辨率，反而是因为信号采集时间范围的明显变大而降低了图像的对比度和信噪比，这样会导致图像的实际分辨率明显下降。

磁共振参数可以分为基本参数和导出参数，基本参数就是界面上可以直接改动的参数，导出参数指的是由初级参数变化所导致的图像属性变化，包括对比度、信噪比、空间分辨率等。通过本研究所获得的图像对比我们的体会是磁共振参数之间总是相互影响相互制约的，每一个参数的变化都会导致一系列的变化。作为操作者一定要学会透过明线看暗线的思维模式。对于FSE这样采用回波链采集技术的序列，回波链长度、信号接收带宽以及采样矩阵之间有着错综复杂的联动关系，在变化其中任何一个参数时要充分考虑所能导致的连锁变化。

1 杨正汉，冯逢，王霄英. 磁共振成像技术指南：快速自旋回波序列及其衍生序列[M]. 北京：人民军医出版社，2010：71-85

2 杨正汉，冯逢，王霄英. 磁共振成像技术指南：MR 序列常用参数的调整[M]. 北京：人民军医出版社，2010：402-403

3 Constable RT，Anderson AW，Zhong J，et al.Factors influencing contrast in fast spin-echo MR imaging[M]. Magn Reson Imaging，1992，10：497-511

4 Matt A Bernstein，Kevin F King，XiaoHong Joe Zhou.Handbook of MRI Pulse Sequences[M].Academic Bess，2004,9:367-378

5 Hennig J，Nauerth A，Friedburg H. RARE imaging： A fast imaging method for clinical MR[M].Magn Reson Med，1986，3：823-833