重复时间 (TR)
磁共振成像 (MRI) 中的 TR(重复时间,repetition time)是施加于同一切片的连续脉冲序列之间的时间间隔。具体而言,TR 是施加一个 RF(射频)脉冲与施加下一个 RF 脉冲之间的持续时间。TR 以毫秒 (ms) 为单位,主要控制后续脉冲之前的纵向弛豫程度(T1 弛豫),使其成为显著影响 MRI 中的图像对比度和信号特性的重要参数。
回声时间 (TE)
MRI 中的回波时间 (TE,echo time) 是 RF 脉冲的传送和接收到的信号 (回波) 峰值之间的时间。TE 也以毫秒 (ms) 为单位进行测量。它主要影响测量回波时发生的横向松弛量 (T2 松弛)。TE 在根据松弛特性区分各种组织类型方面发挥着重要作用。这里以gradient echo sequence (GRE) 为例。
TR 和 TE 的物理机制
MRI 中 TR 和 TE 背后的物理原理涉及磁场、RF 脉冲和体内氢原子核(质子)之间的相互作用。以下是详细分析:
磁场和质子的排列
- 主磁场 (B0):当患者被置于 MRI 扫描仪中时,他们会暴露在强大的静磁场 (B0) 中。该磁场导致体内氢核(质子)的磁矩与磁场平行或反向平行。这些质子中的大多数平行排列,从而导致磁场方向的净磁化矢量 (M0)。
射频脉冲和激励
- RF 脉冲:拉莫尔频率(特定于磁场强度和原子核类型)的射频脉冲垂直于主磁场施加。该 RF 脉冲使净磁化矢量从纵向(沿 B0)倾斜到横向平面。
- 翻转角:磁化矢量倾斜的角度称为翻转角(例如,完全翻转到横向平面为 90 度)。
松弛过程
- T1 弛豫(纵向弛豫):关闭 RF 脉冲后,磁化矢量开始沿 B0 场弛豫回到其平衡位置。这种恢复以 T1 弛豫时间为特征,即纵向磁化恢复 63% 的时间常数。
- T2 弛豫(横向弛豫):同时,由于邻近自旋之间的相互作用,磁化矢量的横向分量发生失相,其特征是 T2 弛豫时间,即横向磁化衰减 63% 的时间常数。
重复时间(TR)
- TR 的定义: TR 是施加一个 RF 脉冲与施加下一个 RF 脉冲之间的时间。它会影响在施加下一个 RF 脉冲之前纵向磁化恢复的程度。
- 短 TR: TR 较短时,纵向磁化恢复不完全,导致饱和并影响图像对比度,尤其是增强 T1 对比度。
- 长 TR:通过长 TR,纵向磁化几乎可以完全恢复,从而最大限度地减少饱和效应并增强 T2 对比度。
回波时间(TE)
- TE 的定义: TE 是施加 RF 脉冲和接收线圈检测到信号(回波)峰值之间的时间。它决定了在松弛过程中测量信号的时间。
- 短 TE:短 TE 在相位失调最小时尽早捕获信号,这对于 T1 加权成像非常重要。
- 长 TE:长 TE 在发生更多失相时稍后捕获信号,这对于 T2 加权成像非常重要。
TR 和 TE 对图像对比度的影响
T1加权成像
短 TR 和短 TE 值增强了 T1 加权对比度,使得具有短 T1 弛豫时间的组织(例如脂肪)显得明亮,而具有较长 T1 时间的组织(例如液体)显得暗淡。
T2加权成像
较长的 TR 和 TE 值可产生 T2 加权图像,其中具有较长 T2 弛豫时间的组织(例如液体)显得明亮。较长的 TR 可确保完全纵向弛豫,而较长的 TE 可使 T2 对比度有足够的横向失相。
质子密度加权成像
中等 TR 和短 TE 值用于产生质子密度加权图像,强调质子密度的差异,同时最小化 T1 和 T2 对比效应。
T2 加权 MRI 图像中重复时间 (TR) 的影响
低 TR(1000 毫秒):
- 导致信噪比相对较低,从而产生较多噪声的图像。
- T2 对比度并不理想,因为组织信号没有足够的时间在连续的激发之间恢复,从而降低了不同组织类型之间的区别。组织之间的CNR不好。
中等 TR (2000 毫秒):
- 提供中等 SNR,与较低的 TR 设置相比可提高图像质量。
- 提供比低 TR 更好的 T2 对比度,但可能仍然不是清晰区分所有组织类型的最佳选择。
最佳 TR (3000-4000 毫秒):
- 最适合最大化 T2 对比度,可以更清晰地区分不同的组织。
- 由于组织在激发之间有充足的时间放松和恢复信号,因此更高的 SNR 可以产生更清晰、更详细的图像。
高 TR(10000 毫秒):
- 可产生非常高的信噪比,以最小的噪声产生最清晰的图像。组织之间的CNR最好。
- 虽然对于 SNR 来说非常好,但是极长的 TR 会导致扫描时间延长,使患者不舒服,还会在成像中引入运动伪影。
回波时间 (TE) 对 T2 加权 MRI 图像的影响
低 TE(15-25 毫秒):
- 产生质子密度 (PD) 对比度:在这个短 TE 中,图像具有最小的 T2 加权,强调质子密度对比度,其中信号强度与组织中的氢质子数量更相关。
- 信噪比 (SNR):由于信号衰减最小,因此 SNR 较高,可以从组织中捕获强信号。
中等 TE (50-60 毫秒):
- 图像对比度:开始显示增加的 T2 加权,其中具有较长 T2 弛豫时间的组织(如充满液体的结构)显得更亮。
- SNR 影响:中等 SNR;由于 T2 衰减会导致一些信号损失,与低 TE 相比,这会降低图像清晰度。
最佳 TE(100-110 毫秒):
- 图像对比度:最佳地增强 T2 对比度,使其非常适合检测水肿和神经胶质增生等具有延长 T2 弛豫时间的病理。
- SNR 影响:足够的 T2 对比度和可接受的 SNR 之间取得良好的平衡,尽管一些信号衰减是不可避免的。
高 TE(200-400 毫秒):
- 增加 T2 加权:进一步强调 T2 对比度,但代价是组织放松速度加快导致信号衰减增加。
- SNR:由于信号衰减明显导致 SNR 降低,从而降低了整体图像的清晰度和细节。
- 降低组织对比度:高 TE 会降低 T2 弛豫时间略有不同的组织之间的区分,从而可能掩盖精细细节。
T1 加权 MRI 图像中重复时间 (TR) 的影响
低 TR (150 毫秒):
- 在 T1 加权成像中使用低 TR 会导致 SNR 降低,因为组织没有足够的时间完全恢复其纵向磁化。这会导致整体信号强度较弱,并且不同组织之间的 T1 对比度区分效果较差。
中等 TR (250 毫秒):
- 在中等 TR 设置下,与极低 TR 相比,SNR 略有改善。组织有更多时间进行磁化恢复,这可以增强信号强度,但仍然无法为 T1 加权图像提供最佳对比度。
最佳 TR (300-500 毫秒):
- 此 TR 范围被认为是 T1 加权成像的理想范围。它能够在 SNR 和组织对比度之间实现良好的平衡。组织恢复足够的纵向磁化以产生强信号,从而有助于更好地区分不同组织类型的 T1 特性。
高 TR(2000 毫秒):
- 高 TR 会大幅提高 SNR,因为组织几乎完全恢复了其纵向磁化,从而使信号强度最大化。然而,在如此高的 TR 值下,图像不仅会增强 T1,还会增强质子密度 (PD) 对比度。这种混合对比度可能很有用,但可能会掩盖纯 T1 对比度效果。
参考文献
- Pai, A., Shetty, R., Hodis, B. and Chowdhury, Y.S. (2023) ‘Magnetic Resonance Imaging Physics’, StatPearls [Internet]. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK572133/
- Alzola-Aldamizetxebarria, S., Fernández-Méndez, L., Padro, D., Ruíz-Cabello, J. and Ramos-Cabrer, P., 2022. A Comprehensive Introduction to Magnetic Resonance Imaging Relaxometry and Contrast Agents. ACS Omega, [online] 7(42), pp.36905-36917. Available at: A ComprehensiveIntroduction to Magnetic Resonance Imaging Relaxometryand Contrast Agents - PMC