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1、平面回波成像 Echo Planar Imaging李承宇 西安交大生医所 2011-10-30回波平面成像历史n回波平面成像（Echo Planar Imaging, EPI）是当今最快的成 像方法。n通常可在 30ms 内采集完一幅完整图像，每秒可获取 20 幅图像n1977年，英国的诺丁汉（Nottingham）大学物理系 Petter Mansfield 博士与他的同伴 I.L Pykett提出EPI技术。n1985 年在伦敦召开的医学磁共振年会上，Mansfield 以电影 方式连续展示了利用 EPI 序列得到的一杯搅动的水的图像 。n由于EPI技术需依赖于高性能梯度线圈，因此在临床
2、上的 应用一直到上世纪90年代中后期才得以实现 。一、EPI技术nEPI技术是在一次射频脉冲激发后，利用读 出梯度场的连续正反向切换，每次切换产 生一个梯度回波，因而将产生多个梯度回 波，因而有回波链的存在。因此，实际上 EPI可以理解成“一次射频脉冲激发采集多 个梯度回波”。n由于EPI回波是由读出梯度场的连续正反向 切换产生的，因此产生的信号在K空间内填 充是一种迂回轨迹。这种K空间迂回填充轨 迹需要相位编码梯度场与读出梯度场相互 配合方能实现，相位编码梯度场在每个回 波采集结束后施加，其持续时间的中点正 好与读出梯度场切换过零点时重叠图1 常规EPI的序列结构及K空间填充轨迹示意图 图a
3、为常规EPI序列结构示意图， 图中省略了层面选择梯度。EPI是在射频脉冲激发后利用梯度场连续的正反向切换 ，从而产生一连串梯度回波。利用相位编码梯度场与读出梯度场相互配合，完成空 间定位编码。图b示EPI序列的K空间填充轨迹，由于EPI特殊的信号采集方式，其 原始数据的K空间填充轨迹与一般MR成像序列不同，是一种迂回的填充轨迹。 n从图a可以看出，EPI序列利用读出梯度场连续切换产生回 波，先施加的是反向的离相位梯度场，然后切换到正向， 成为聚相位梯度场，产生第一个梯度回波，正向梯度场施 加的时间过第一回波中点后，实际上又成为正向的离相位 梯度场，施加一定时间后，切换到反向，这时反向梯度场 成
4、为聚相位梯度场，从而产生与第一个回波方向相反的第 二个梯度回波，反向梯度场施加的时间过第二个回波中点 后又成为反向离相位梯度场。如此周而复始，产生一连串 正向和反向相间的梯度回波，正由于EPI序列中这种正向 和反向相间的梯度回波链，决定了其MR原始数据在K空间 中需要进行迂回填充（图b）。二、EPI序列的分类n（一）按激发次数分类n（二）按EPI准备脉冲分类n（三）按K空间填充方式分类n（一）按激发次数分类n多次激发EPI (MS-EPI) n单次激发EPI (SS-EPI) 多次激发EPI 图2 MS-EPI的K空间轨迹及成像序列多次激发EPIn多次激发EPI（multishot EPI，M
5、S-EPI）是指一次 射频脉冲激发后利用读出梯度场连续切换采集多 个梯度回波，填充K空间的多条相位编码线，需 要多次射频脉冲激发和相应次数的EPI采集及数据 迂回填充才能完成整个K空间的填充。MS-EPI所 需要进行的激发次数，取决于K空间相位编码步 级和ETL。如K空间相位编码步级为128，ETL 16，则需要进行8次激发(128 = 16 x 8)。 nETL指回波链长度(echo train length), 即每个回波链 中包含的回波个数。多次激发EPInMS-EPI与FSE颇为相似，两种序列均是在一次射 频脉冲激发后采集多个回波，填充K空间的多条 相位编码线，需要重复多次激发方能完成
6、整个K 空间的填充。 n两种序列的不同之处在于：n（1）FSE序列是利用180复相脉冲采集自旋回波链， 而MS-EPI是利用读出梯度场的连续切换采集梯度回波 链；n（2）FSE的K空间是单向填充，而MS-EPI的K空间需要 进行迂回填充；n（3）由于梯度场连续切换比连续的180脉冲所需的时 间要短的多，因此MS-EPI回波链采集要比ETL相同的 FSE序列快数倍。单次激发EPIn如果EPI序列填充K空间的所有数据在一次射频脉 冲后全部采集，这种序列被称为单次激发EPI（ single shot EPI，SS-EPI）序列，如图1所示。nSS-EPI序列与单次激发FSE（SS-FSE）序列相似，
7、 均是在一次射频脉冲激发后完成K空间全部数据 的采集。两种序列的不同之处则相当于MS-EPI序 列与FSE序列的差别。 nSS-EPI序列是目前采集速度最快的MR成像序列， 单层图像的TA可短于100ms。 nSS-EPI与MS-EPI各有优缺点 ：n（1）SS-EPI的成像速度明显快于MS-EPI，因此 更适用于对速度要求很高的功能成像；n（2）由于ETL相对较短，MS-EPI的图像质量一 般优于SS-EPI，SNR更高，EPI常见的伪影更少 。 n（二）按EPI准备脉冲分类n1. 梯度回波EPI序列 (GRE-EPI)n2. 自旋回波EPI序列 (SE-EPI)n3. 反转恢复EPI序列
8、(IR-EPI)梯度回波EPI序列 (GRE-EPI)n梯度回波EPI（GRE-EPI）序列是最基本的 EPI序列，结构也最简单，是在90脉冲后利 用EPI采集技术采集梯度回波链。图1a所示 即为GRE-EPI序列，90脉冲后，回波链采 集的信号符合T2*衰减曲线，因此有的文献 也把该序列称为FID-EPI序列。GRE-EPI序 列一般采用SS-EPI方法来采集信号。GRE- EPI序列一般用作T2*WI序列。 自旋回波EPI序列 (SE-EPI)n如果EPI采集前的准备脉冲为一个90脉冲后随一 个180脉冲，即自旋回波序列方式，则该序列被 称为SE-EPI序列。180脉冲将产生一个标准的自
9、旋回波，而EPI方法将采集一个梯度回波链，一般 把自旋回波填充在K空间中心，而把EPI回波链填 充在K空间其他区域。由于与图像对比关系最密 切的K空间中心填充的是自旋回波信号，因此认 为该序列得到的图像能够反映组织的T2弛豫特性 ，因此该序列一般被用作T2WI或水分子扩散加权 成像（diffusion-weighted imaging，DWI）序列。 SE-EPI序列可以是MS-EPI，也可以是SS-EPI。 自旋回波EPI序列 (SE-EPI)图3 SE-EPI序列结构示意图 SE-EPI序列 的预脉冲是SE序列 ，后随EPI采集。180复相脉冲 产生的自旋回波填充在K空间 中心决定图像的对
10、比，EPI采集 的梯度回波链主要决定图像的 结构细节。把90脉冲中点与自 旋回波中点的时间间隔定义为 TE，把两次相邻的90脉冲中点 的时间间隔定义为TR，如果是 单次激发SE-EPI，则TR为无穷 大。 反转恢复EPI序列 (IR-EPI)n所谓反转恢复EPI（inversion recovery EPI，IR-EPI ）序列是指EPI采集前施加的是180反转恢复预脉 冲。实际上IR-EPI有两种：（1）在GRE-EPI序列 前施加180反转预脉冲（图4），这种序列一般为 ETL较短（ETL=48）的MS-EPI序列，常用作超 快速T1WI序列，利用180反转预脉冲增加T1对比 ，利用短ET
11、L的EPI采集技术不但加快了采集速度 ，也可选用很短的TE以尽量剔除T2*弛豫对图像 对比的污染。（2）在SE-EPI前施加180反转预脉 冲，这种序列可以采用SS-EPI或MS-EPI，可作为 FLAIR或DWI序列。图4 IR-EPI序列结构示意图 IR- EPI序列最早施加的是180反转 预脉冲，180脉冲后，组织将 发生纵向弛豫，经过一定时间 后，由于纵向弛豫速度不同各 组织的宏观纵向磁化矢量将出 现差别，这时利用90脉冲把这 种宏观纵向磁化矢量差别偏转 90，变成宏观横向磁化矢量差 别，立刻使用EPI技术采集回波 来记录这种宏观横向磁化矢量 差别。我们把180反转预脉冲 中点与90脉
12、冲中点的时间间隔 定义为TI；把90脉冲中点与填 充K空间中心的回波中点的时 间间隔定义为有效TE；把两次 相邻的180反转脉冲中点的时 间间隔定义为TR，如果是单次 激发IR-EPI序列则TR为无穷大 。n(三)按K空间填充方式分类n1. K空间迂回填充n2. K空间螺旋填充K空间迂回填充n上述多激发和单激发都是按K空间迂回填充 方式进行图像采集的EPI, 如图1和图2所示K空间螺旋填充图5 EPI的K空间螺旋填充，均匀螺旋K空间螺旋填充图6 EPI的K空间螺旋填充，采用插入技术K空间螺旋填充图7 K空间螺旋填充EPI成像序列K空间螺旋填充图8 K空间螺旋填充EPI成像，左图为均匀螺旋填充成
13、像，右图为采用插入 技术的螺旋填充成像EPI 序列一览表三、EPI成像高分辨率EPIGRE EPISE EPI显示运动皮层的高分辨率EPI fMRIEPI伪影n磁敏感性伪影n原因：不同磁化率物质的交界面，磁化率 不同会导致局部磁场环境的变形，造成自 旋失相位，产生信号损失或错误描述。n伪影特点：在组织/空气和组织/脂肪界面 （包括副鼻窦、颅底、蝶鞍等部位）出现 异常信号。n解决办法： n扫描时尽量避开这些部位n增加层厚、层间隔n减小人为的磁化界面n伪影校正方法：如GE Fiesta序列的binding伪影 ，可加局部匀场n采用并行成像n缩短回波链的持续时间EPI成像优缺点n优点：n成像快速，时
14、间分辨率高，可用于动态成像和 功能成像。nEPI序列能有效减少各种运动对图像质量的影 响，在消除运动伪影方面具有独特的优越性。n可以实现扩散加权成像，扩散成像在低速成像 序列中无法实现。EPI成像优缺点n缺点：n单激发EPI需要高效能（读出能力强）的硬件，包括特 殊的梯度系统，高速的数据采集系统和图像处理系统 。n能在200微秒中获得25-40mT/m的梯度，每微秒采集1个点的采 样速率，能进行大量数据运算和处理的存储器和处理器。n多激发EPI对梯度系统要求不高，但扫描时间比单激发EPI要长 。nEPI序列成像具有高度的磁化率伪影，对磁场不均匀性 十分敏感，对系统主磁场均匀程度要求非常高。n但
15、是，利用EPI对磁化率的敏感性可以用来进行磁敏感性成像 。n对化学位移位移敏感，需进行水或脂肪信号的压制。n易产生N/2鬼影。n图像信噪比比常规图像差。EPI序列的临床应用灌注加权成像（PWI）通过显示组织毛细血管水平的血流灌注情况， 评价 局部组织的活动及功能状况。对于脑梗后的再灌注和侧枝循环的建立和开放很敏 感，并用于鉴别肿瘤复发和放疗后组织坏死的早期改变，推断肿瘤的分化程度。血氧水平依赖对比增强技术（BOLD），被广泛用于视觉、运动、感觉、听觉以 及语言中枢的研究。为术中保护脑功能区及偏瘫患者的功能恢复提供参考证据。弥散加权EPI（DW-EPI, DWI)对于急性脑梗，DWI比T2W更为灵敏。上图示左侧颞叶的梗塞灶（病变2小时）。DTI显示双侧放射冠及 胼胝体的纤维走行扩散张量EPI（Diffusion Tensor Imaging, DTI）孤立病灶DTI显示局部纤维中断
