俎中良先生，北京大学医学物理和工程专业博士研究生；周??先生，博士研究生；包尚联先生，博士生导师、教授，北京大学北京市医学物理和工程重点实验室主任，北京大学肿瘤物理诊疗技术研究中心主任。
近年来，随着硬件技术指标的不断提升，高速成像序列已经被广泛地应用到各种临床应用领域，尤其是动态成像、介入和神经外科手术导航等治疗过程的影像监控领域。在中场0.5T MRI系统上实现诸如稳态自由进动序列(SSFP)和回波平面成像(EPI)等快速脉冲成像技术，是提升这类产品水平的重要标志。SSFP脉冲序列不仅在永磁系统上，也是当前超导系统的研究热点，基于SSFP实现功能成像的技术目前在世界上还完全处于探索阶段。作为本次讲座的最后一讲，我们在介绍SSFP序列的物理原理、临床应用价值的基础上，分析了在中场永磁MRI系统上实现SSFP的可行性；同时也介绍了基于SSFP序列实现快速脑功能成像技术(BOSS)，分析了实现BOSS所需要的条件，并把BOSS技术与传统的脑功能成像序列EPI进行了比较。
一 稳态自由进动快速成像技术
SSFP序列也被称为TrueFISP、FIESTA、b-FFE。近年来，随着硬件系统的改进，尤其是梯度和信号接收系统技术指标的提升，SSFP成像技术得到了广泛的应用。
1. SSFP序列的物理原理
SSFP序列由一系列RF脉冲链组成。其时序图如图1所示。该序列在选层、相位编码和读方向上分别施加相位平衡梯度，使得横向剩余磁化矢量在三个方向上都得到了重聚。
顾名思义，SSFP序列是在稳定状态下工作的脉冲序列，也就是在不同的重复周期内所采集到的信号特性相同，系统已经达到稳定状态。然而从执行第一个RF激励脉冲到信号达到稳态，需要解决从瞬态(Transient Phase)转变到稳态的过程。稳态之前的瞬态持续时间的长短跟样品的弛豫时间、重复周期以及偏共振(Off-resonance)等因素有关。瞬态过程的存在限制了SSFP序列的临床应用范围。因此，采用驱动平衡技术(Driven Equilibrium)来缩短瞬态过程是SSFP技术的关键。
因为执行SSFP序列采集到的回波信号跟样品特性、射频脉冲的相位特性、激发脉冲的翻转角度以及系统中心频率偏共振特性都有关系。通过调整RF脉冲的相位和翻转角度等参数可以改变回波信号的频率响应曲线(Spec-tral Response Profile)。这一特性可以被用来进行脂肪抑制或伪影消除，进而改善图像质量。例如，RF脉冲相位恒定时，其频率响应曲线为图2中点线所示；RF脉冲相位周期变化，即RF脉冲相位为0°和180°交替激发，其频率响应曲线为图2中虚线所示；此外，RF激励脉冲相位线性增加(Linear Increase RF Phase)、重复时间交替(Alternating TR)，以及翻转角度交替(Alternating Flip Angle)等都可以改变频率响应曲线，进而从信号的频率特性上取得脂肪抑制的效果。图2中实线为RF脉冲恒定相位和交变相位两次采集数据的复数和，可以看出，除了波动外，其频率响应曲线还是比较平缓的，这样可以起到消除伪影的作用。多组RF脉冲相位线性增加的SSFP信号的线性组合可以减少波动效应，得到较好的图像质量。
2. SSFP序列的临床应用
SSFP序列成像技术在保证高的信噪比效率的同时，大幅度地提高了成像速度，同时由于其独特的加权特性(T2/T1加权)，使得该技术应用于诸多领域，包括心脏动态成像、血管造影、腹部成像、关节成像、脊髓造影以及介入磁共振成像iMRI(interventional MRI)等。
心脏成像是SSFP序列最主要的应用领域，由于该序列成像速度快，在一次屏呼吸中可以采集几十帧图像，非常适合做动态成像。用SSFP成像技术采集的图像，在信噪比、对比度和时间分辨率方面都大大优于传统的FLASH序列。关节成像是SSFP序列的另一个应用领域，通过在一个SSFP序列重复周期内采集两次数据，可以得到非常良好的滑液－软骨对比度。运动伪影一直是腹部成像的大难题，传统的序列因为扫描时间长，在检查腹部时，会带来严重的伪影。SSFP序列扫描时间短，可以在一次屏息内采集到高分辨率、高对比度的腹部图像。SSFP序列具有较快的成像速度，较好的图像对比度，其成像在基于图像引导的外科手术IGS(Image Guided Surgery)中的应用具有一定的潜力。热疗是继放疗、化疗之后又一种肿瘤治疗方法。该方法需要控制组织内的温度分布，在保证正常组织不会被烧坏的情况下，使病灶组织达到致死的温度。因此，用MRI对温度分布进行监测(MR Thermometry)是热疗的关键技术。近年来，多种成像序列被用来做热疗的温度分布测量。SSFP序列作为一种高速成像序列，可以快速地测量到温度的分布图。相对自旋回波(SE)和梯度回波(GE)，SSFP序列测温不但速度快，也具有较高的精确度。
3. 在中场永磁系统上实现SSFP序列的优势
在高场MRI系统上使用SSFP序列进行扫描已较为普遍。然而，高场上较严重的磁化率伪影(Susceptibility Artifact)以及射频能量在人体内的沉积率(Specific Absorption Rate，SAR)高等问题是在高场或超高场上实现SSFP序列的难题。
在中低场MRI系统上，由于其较低的静磁场强度，磁化率伪影并不显著。RF脉冲的载波频率也相应降低，减少了射频能量。因此，在中低场系统上一般不存在射频沉积率超标的问题。
此外，永磁系统具有较好的开放度，适合做介入治疗和影像导引的外科手术，在疾病治疗的其它领域，例如热疗中温度场的检测也有很大的潜力。
4. SSFP序列的硬件要求
首先，要求有较高的磁场均匀性。从上述SSFP序列信号频率响应分布中可以看出，其信号幅度随偏共振频率而波动，若磁场均匀度较差，即偏共振效应明显，则在某些频率段信号强度降低，在图像上就会出现条带状伪影(Banding Artifact)。永磁MRI系统磁场均匀度通常较差，采用高阶匀场是提高磁场均匀度的有效方法之一。
其次，要求有高性能的梯度系统。从图2不难看出，SSFP序列的信号频率响应曲线是周期变化的，其周期同重复时间成反比关系，若减少重复时间，增加频率响应曲线的周期，就可以在一定的非均匀度情况下消除条带状伪影。而快速的梯度切换率能减少梯度持续时间，进而减少重复时间。
最后，需要采用先进的抗涡流技术或梯度预加强技术，以保证梯度脉冲不受涡流的影响。
5. 待解决的问题
条带状伪影在中低场MRI系统上较为显著。目前，已经出现多种解决方案，线性组合稳态自由进动LCSSFP (Linear Combination SSFP)是一种常用的伪影消除方法。图2中实线即为一种线性组合方法。然而这种方法会增加成像时间，进而容易引入运动伪影(Motion Artifact)。
减少瞬态时间可以有效地缩短SSFP序列的扫描时间。在第一个RF脉冲前施加半脉冲是减少瞬态时间较为常用的方法，然而该方法并不适用于偏共振状态。对于中低场MRI系统较差的磁场均匀度，偏共振现象较为明显，因此，这种半脉冲的方法并不实用。近年来，出现了一些新的快速驱动平衡技术，例如，用SLR(Shinnar-Le Roux)方法设计独特的频率选择RF脉冲可用来加速稳态的形成。线性翻转角序列(Linear Flip Angle Series)磁化准备也可用来缩短瞬态时间。这些方法能否在中低场MRI系统上实现仍需要进一步的探索。
最近有报道称，SSFP序列也可应用于脑功能成像(fMRI)研究领域，例如BOSS(Blood Oxygenation Sensitive Steadystate)。相对常用于做fMRI的EPI序列，BOSS具有其独特的优势。下面对BOSS技术将做简要介绍。
二 功能磁共振成像及其在外科手术中的应用
理解大脑的工作机制，是21世纪具有挑战性的研究课题。大脑是人体内结构和功能最复杂的脏器，大脑组织中包含的神经细胞总数超过1012个。大脑是人体接受外界信号、产生感觉、形成意识、进行逻辑思维、发出指令、对行为进行控制的指挥部；是人体内外环境信息获得、存储、处理、加工和整合的中枢。大脑的高级功能包括知觉、语言、记忆、认知、注意、意识、情绪和情感等。脑功能在不同神经核团进行局部处理基础上，在前额叶进行综合处理后形成这些高级功能。
上述用于测量大脑认知功能的技术称为功能磁共振成像，在基础医学、临床医学和心理学等领域有着非常广泛的应用。从大脑功能是否正常划分，大脑有正常和病理状态，在病理状态中有由于占位性病变引起的大脑功能核团和神经纤维束位置改变是经常发生的。这在基于开放式MRI设备的神经外科手术和介入治疗中尤为重要，因为对占位后病人功能模块的定位及其手术之中功能模块和神经纤维束位置的变化，以及对病灶是否切除干净的检测对手术质量至关重要。因为这是保护大脑的重要的神经核团和神经纤维束不受到伤害，保证病人术后生活质量的重要技术措施。病人术前在高场大型设备上实现的功能成像模块和神经纤维束的跟踪，通过放在手术室内的图像工作站，通过手术计划系统软件整合到病人手术的坐标系当中，作为手术开始时进刀技术路径选择的基础，然而在手术进行过程中，颅骨和脑膜切开后，一旦开始切除病灶就会发生脑内液体的流动和脑内组织的重新分布，因此，需要通过成像方法，才能确认手术进一步进行的位置，解决残余病灶问题，确认主要神经核团和神经纤维束的位置。这在某些发达国家，这些手术辅助工具已经在临床应用，图3所示的是具有功能模块、病灶定位系统的神经外科手术导航显示的一个界面。这可以通过下面的步骤来实现。
手术之前先在高场系统上采集病人的多模态的影像数据，包括高分辨率的解剖结构像、脑功能图像、纤维束分布图像等等。把这些图像融合到同一个坐标系中，医生根据这些图像制定手术计划。手术过程中，医生参考这些图像提供的信息，使手术器械避开重要的功能区和纤维束，如图4所示。术中如果由于切除脑组织使得大脑内的物质发生重新分布，相对位置发生变化，为此，需要进行术中成像，以保证图像能提供准确的信息。术后，再进行一遍扫描，如果可能，包括功能成像的扫描，可以立即对手术的完成情况进行检测和评价。
要想达到保护病人功能区不受伤害这一目的，功能区定位必须准确。但是，由于fMRI一般采用的是EPI序列，这种序列对主磁场的不均匀性很敏感，因而图像的几何畸变比较严重，这就会造成功能区表达的不准确。所以，EPI图像几何畸变的校正是一个重要的步骤。
脑功能区的显示方法目前还存在很多问题，神经外科医生比较习惯的也是比较常用的显示方式是二维多层平面显示；外科手术导航时采用三维显示会更直观，但是医生需要有一个熟悉过程；还有一种显示方式是把大脑的左右两个沟回展开形成平面地图，在平面地图上进行显示。但是，大脑皮层的形状接近球面或者椭球面。对病灶及其周围神经核团和神经纤维束的整体显示或许椭球模型更为准确和直观，而局部功能模块和病灶的定位，平面地图更为准确。
1. BOLD-fMRI的原理
目前脑认知功能成像的方法，大多数都是采用血氧水平依赖(BOLD-fMRI)的对比度间接测量获得的。BOLD对比度信号源自脑组织局部磁化率的变化。正常的血液内的细胞主要是血红蛋白，其次是血小板和白血球。因为血红蛋白结合氧之后形成的含氧血红蛋白是抗磁性的，而没有结合氧的血红蛋白(脱氧血红蛋白)是顺磁性的。顺磁性的材料比抗磁性材料具有更大的磁化率，所以，脱氧血红蛋白比含氧血红蛋白的磁化率大。当脑神经活动时，局部脑血流会迅速增加以供应更多的氧，但此时氧消耗率基本保持不变，所以静脉血中会存在多余的氧，血红蛋白结合这些氧使含氧血红蛋白浓度增加，脱氧血红蛋白的浓度降低。由于脱氧血红蛋白浓度降低会使血管中的局部磁化率减小，因而其中的自旋相干加强，T2*变大。因为MR信号按e-te/T2*衰减，所以信号强度会增加。当神经处于静息状态时，局部血流减小，脱氧血红蛋白的浓度相对于神经活动时升高，于是信号强度会减弱。可见，如果脑接收一个随时间变化的外界刺激，对这个刺激敏感的脑区的脱氧血红蛋白的浓度就会相应的随时间变化，于是便产生一个随时间变化的BOLD对比度信号强度。BOLD对比度已经在1T以上的超导系统上实现，能否在0.5T中场高端产品上实现，是需要通过研发才能确定的问题。
2. 一种新的功能磁共振成像机制：BOSS
近年来，有人开始研究一种新的功能磁共振成像方法：血氧水平敏感的稳态自由进动序列成像方法(BOSS)。这项技术是在SSFP状态下进行的。它的对比度机制与BOLD也有所不同。当脑神经活动时，局部脑血流会迅速增加以供应更多的氧，但此时氧消耗率的变化迟于血流的变化，临近毛细血管中会存在多余的氧，血红蛋白结合这些氧使含氧血红蛋白浓度增加，脱氧血红蛋白的浓度降低。由于脱氧血红蛋和含氧血红蛋白的磁化率差别，使得激活区的质子共振频率与邻近的体素之间形成对比度。如果选择合适的翻转角、重复时间等参数，使得激活和静息状态下的信号中的一个接近于零，另一个有比较大的值，这样就形成了对比度；另一种方法是选择合适的成像参数，使得激活和静息状态下信号的相位正好反向，这样就能形成更大的对比度，可以排除很多干扰。
与传统的BOLD-fMRI相比，BOSS的优势在于伪影少、信噪比高、对比度大、图像的分辨率高。当然，BOSS目前还处于研究阶段，离实际应用还有很大的距离，主要问题有人体的呼吸心跳等也会产生磁化率的变化，这有可能会淹没BOSS的信号或者产生伪激活区；BOSS成像需要的时间比BOLD长，这是因为需要预扫描来精确确定激活信号和静息信号的频率范围；最后，BOSS方法需要的主磁场均匀度很高，对于1.5T的系统，要求主磁场均匀度在0.08个ppm以下；对于0.5T的系统，需要场均匀度在0.25个ppm以下。
3. 实现BOLD fMRI的关键技术：回波平面成像
可以用于fMRI的序列需要满足两个条件，一是具有T2*对比度，这是因为BOLD信号变化是体现在T2*变化上，T2*对比度是BOLD功能成像的支配机制。二是成像速度要快。fMRI与传统的解剖结构MRI不同，fMRI是四维成像，即三维的空间和一维的时间。因此，只有快速成像的序列才能达到高时间和空间分辨率。
根据这两个条件，fMRI首选序列应当是回波平面成像(Echo Planar Imaging，EPI)。这种序列是Mansfield于1977年提出来的，这种方法允许一次RF激发而得到2D断层图像的全部数据，因此它是一种很快的成像方法。在原始的EPI中，相位编码梯度是弱梯度，读梯度是强梯度且是快速切换的。利用读梯度反向产生的回波列来成像。其时序图和K空间扫描轨迹如图5所示。
EPI的成像时间，取决于T2*，一般不超过2T2*的时间。在1.5T系统上经常是50ms左右，在3T系统上，约30ms采一幅像。
随着硬件系统的发展，尤其是梯度设备的改进，原始EPI序列也有了进一步的发展。把原始EPI中恒定相位编码梯度修改为Blip脉冲，并在读梯度穿越零点时刻加这个Blip脉冲，其时序图和K空间扫描轨迹如图6所示。这种序列在K空间的扫描轨迹是直线，相对于原始EPI序列，在进行图像重建时很方便。
这种序列又有两种重要的变形，SE-EPI混合序列和GE-EPI混合序列。SE-EPI是自旋回波和EPI相结合的混合序列，其时序和K空间轨迹如图7所示。这种序列对磁场不均匀性的敏感性有一定改善，图像是T2加权而不是T2*加权。
GE-EPI是把梯度回波和EPI结合起来的混合序列。其时序和K空间轨迹如图8所示。由于EPI序列本身所成的像是T2*加权的，GE本身所成的像也是T2*加权，所以这种序列所成的像是重T2*加权的。这对以BOLD对比度为特征的脑功能成像特别适合。
4. 在0.5T中场系统上实现BOLD-fMRI和BOSS的可行性分析
要在0.5T中场系统上实现BOLD-fMRI，关键是要能实现EPI。EPI自1977年提出并得到实验验证，然而直到1996年才变成商品应用到临床机器上，原因是EPI对硬件要求很高。具体如下：
(1)梯度强度很大。传统1.5T MRI系统的梯度强度是10mT/m，梯度上升时间600μs或切换速度(Slew Rate)为17mT/m/ms。而装备有EPI的1.5T MRI系统的梯度强度达到25mT/m以上，切换时间达到200mT/m/ms。3T以上MRI系统的梯度强度在40mT/m以上。
(2)梯度开关速度很高，要求在100ms内开关128次，甚至256次。
(3)梯度上升时间很快；大约为200T/m/s，以保证有足够长的平顶时间用于数据采集。
(4)梯度开关引起的涡流要很小。因为涡流产生的磁场迭加到主梯度磁场上，使梯度线性度变差，会退化图像质量，产生“涡流伪影”；而且涡流增加梯度线圈有效电感，使上升速度变慢。
(5)模数转换器(ADC)速度要高；接受带宽Δf很大，大约数百千赫兹；高速计算机系统。
(6)主磁场B0均匀性要高。
对于0.5T中场永磁系统，条件(1)、(2)、(3)可以通过配置先进的梯度放大器来实现，对于先进的谱仪系统，条件(5)也不是问题。难点在于如何满足条件(4)和(6)。由于永磁磁铁固有的特性，涡流和B0不均匀的问题比较严重。如果采用了涡流的主动屏蔽和主动匀场等先进技术，则可以克服这两个问题。
0.5T中场永磁系统还有一个问题是主磁场B0的强度不高，造成信噪比比较低。
综上，如果要在0.5T中场永磁系统上实现BOLD-fMRI，必须采用先进的梯度和谱仪系统，涡流的主动屏蔽和主动匀场等技术，并且牺牲一些时间分辨率。
如果要在0.5T中场系统上实现BOSS-fMRI，除了要能实现稳态自由进动序列外，还对主磁场的均匀度提出了更高的要求，主磁场的均匀度要在0.25ppm以内。
三 结语
本次永磁磁共振系列讲座到此结束，感谢各位读者对此次讲座的关注。笔者所在的北京大学北京市医学物理和工程重点实验室非常希望与医学影像领域的各位专家学者展开合作与交流。由我单位等机构联合主办的第三次医学影像物理和工程国际会议将于6月在北京举行。会议将紧密结合医学影像物理学科发展的最前沿，内容涉及磁共振成像、分子影像、核医学、CT、医学图像处理和肿瘤放疗等领域。届时，欢迎各位专家学者关注、指导。详情请访问网址https://mpe.pku.edu.cn。
（全文完）
来源：《世界医疗器械》
出版日期：2007年6月
