传统磁共振序列回波时间至少为1 ms, 能够形成良好的软组织对比度。然而一些短T2组织由于衰减太快, 在传统磁共振图像中呈现暗信号。近年来, 超短回波时间序列因其对短T2组织的成像能力成为了磁共振领域的研究热点, 绝大多数研究是在高场下进行的, 但在发展中国家仍有大量的低场磁共振系统在使用。本文在0.35T永磁磁共振系统中实现了三维超短回波时间序列, 研究采样与读出梯度间的延时、参与计算R2*图像的回波时间和欠采样率对结果的影响。通过改变成像和重建参数发现, 采样与读出梯度间的微小延时会对原始图像产生较大的影响; 用不同时刻的回波图像计算出的R2*图像也有较大的差别; 而过度的欠采样会直接影响对短T2组织的显示。上述结果显示了在低场下进行三维超短回波时间成像时选择合适成像参数的重要性, 通过选择适当的参数, 短T2组织可以在低场下得到成像。
引用本文： 黄预立, 杜一平. 低场三维超短回波时间磁共振成像的优化. 生物医学工程学杂志, 2015, 32(6): 1239-1243. doi: 10.7507/1001-5515.20150220 复制
0 引言
传统磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)序列的回波时间(echo time，TE)通常在1 ms及以上，能够对人体内大多数软组织形成良好的对比度，包括脑灰质、脑白质、肌肉、脂肪及血液等[1]。然而人体中还存在着一部分短T2组织，例如骨密质、肌腱、韧带、半月板、牙质等等[2]。这些组织的T2在几百微秒至几毫秒之间不等，当k空间中心被采集时这些组织的信号已经衰减了很大部分甚至几乎为零[3]。因此在传统磁共振图像中这些短T2组织通常呈现极弱甚至为零的信号。虽然在这种情况下仍然可以得到短T2组织与周围组织在解剖结构上的相对位置信息，但短T2组织本身的结构、生理信息都被丢失了。
为了对短T2组织进行成像，研究人员提出了两类方法：延长组织的T2或者缩短成像序列的TE。当肌腱组织与主磁场的角度从0°增大至55°时其T2值会由几毫秒增大至二十多毫秒，55°角也因此被称为“魔角”[4]。魔角成像无需对序列进行调整，但对被成像者的体位有一定要求[5]，并且能够产生魔角效应的短T2组织也有限。变回波时间序列采用中心TE短、周围TE长的方式缩短整个k空间的有效TE[6]，重建简单，但能够达到的TE仍在几百微秒的数量级上。零回波时间序列从不关闭读出梯度，能够达到真正意义上的TE为零[7]，但是对系统要求很高，目前都只能在高场高性能磁共振系统中才能实现。
三维超短回波时间(ultrashort echo time，UTE)成像利用短时硬脉冲进行全激发，激励后马上进行从中心开始的径向半k空间轨迹采集，这种成像方式使得TE能够达到200μs以下[8]。与二维UTE成像相比，三维UTE成像不受最大梯度限制，能够达到更高的空间分辨率，由于采集时间长也具有更高的信噪比。除了能够对短T2组织进行成像，UTE技术还使得对短T2组织的定量测量成为可能[9]。因此，三维UTE成像技术成为了近年来的研究热点，然而几乎所有研究都是在高场下进行的。考虑到在发展中国家仍有数量巨大的低场磁共振系统在使用，因而开展基于低场的UTE研究也是迫切需要的。
本文在0.35T磁共振系统中实现了三维UTE序列，对跟腱进行成像。由于UTE序列从k空间中心开始径向采样的特殊性，UTE图像对采样与读出梯度间的延时十分敏感[10]，因此采用不同的延时时间重建UTE图像，确定最优的延时时间。为了突出显示短T2组织，通常采用的方法是计算两个回波图像的差值图像[11]，本文利用两个回波直接计算R2*图像，改变回波时间，确定0.35T下跟腱成像的最优第二回波时间。在三维UTE采样中，为缩短扫描时间往往采用欠采样，径向轨迹对欠采样的容忍度较高，相比于均匀采样图像中由欠采样引起的伪影也较小，本文用不同的欠采样率对图像进行重建，测试低场下UTE对欠采样的容忍度。
1 材料与方法
本文利用XGY MRI OPER-0.35T永磁磁共振系统(宁波鑫高益磁材有限公司)中的EVO谱仪(MR Solutions有限公司)提供的平台实现了三维UTE序列，对人体跟腱进行成像。射频硬脉冲持续时间为0.12 ms，采样带宽40 kHz，最短有效TE为0.14 ms，重复时间(repetition time，TR)20 ms，每个重复时间采集70个采样点。所有图像的重建都采用网格化法(gridding)。
对采集与读出梯度间延时的微调是在水模以及橡皮上进行的。两个字母形状的水模和一个瓶状水模中注有硫酸铜溶液，模拟长T2组织，两块不同种类的橡皮模拟短T2组织。视野(field of view，FOV)在三个方向上都为160 mm，分辨率在三个方向上相同，为1.25 mm，激励脉冲翻转角为35°，共采集10 287条半k空间轨迹，重建矩阵为边长128像素的立方体，扫描时间为206 s。调节采集与读出梯度间的延时参数重建图像，调节的步长为10μs，通过比较不同延时对应的图像可以得到最优的延时参数。
本文对三名健康被试(男性一人，女性两人，22~25岁)进行了在体三维UTE成像实验，用头线圈接收脚踝部的磁共振信号。射频激励翻转角为25°，其余成像参数与水模实验相同。共采集了5个不同时刻的回波，TE分别为0.14、1.14、2.64、4.14以及6.14 ms，总扫描时间为17.2 min。为了抑制长T2组织在图像中的亮度，实验中用两个回波计算R2*图像的方法增强短T2组织相对于长T2组织的对比度。由于噪声的存在，用不同回波时间的图像计算R2*图像得到的结果会有所不同，选择最佳的回波时间需要已知噪声大小以及组织的T2*。由于跟腱在0.35T低场下的T2*未知，因此比较了不同回波计算得到的增强结果。以第一个回波作为原始图像，用第一、二个回波计算R2*图像1，第一、三个回波计算R2*图像2，第一、四回波计算R2*图像3，第一、五回波计算R2*图像4。在每幅图像中计算跟腱与骨髓的对比度，并进行了两两之间的t检验，认为P值小于0.05为差异有统计学意义。其中采用的对比度的计算公式为[12]：C=(Stendon-Smarrow)/(Stendon+Smarrow)，其中S为某一组织在感兴趣区域内的信号均值。
为研究低场下三维UTE对欠采样的容忍度，用四分之一、二分之一以及全部的采样数据分别进行图像重建，分别对应满足奈奎斯特采样定理所需的采样数据量的5%、10%及20%。同样地，在计算出的R2*图像中分别测量跟腱与骨髓的对比度，比较其差别。
2 实验结果
图 1显示了用不同采集与读出梯度延时进行重建的结果，从左至右分别为沿x轴、y轴和z轴的延时产生的结果，也就是沿三个不同方向的图像。第一行是参数调节的最优结果，对应较为准确的延时时间，这些图像边缘清晰，水模或橡皮内部亮度均匀。第二行是用较长的延时参数得到的图像，第三行则是用较短的延时参数得到的图像，两者与上述准确延时都相差10μs。在这些延时不准确的图像中，水模的边缘都产生了伪影，或表现为错误的边缘增强，或表现为空气中出现信号。可以发现，微小的延时在三维UTE成像中会造成较大的差别，而在传统的梯度回波或自旋回波图像中，长达几百微秒的延时都不会对图像产生明显影响。
图1
不同延时重建得到的图像
与最优调节结果(上)相比，较长延时(中)与较短延时(下)的结果图像中水模边缘都产生了伪影或边缘增强
Figure1. Images reconstructed with different delayscompared to the optimized results (upper row), images obtained with a longer delay (middle row) or a shorter delay (lower row) show artifacts and enhancement around edges of phantoms
用不同回波计算R2*图像的结果显示在图 2中，三名被试的图像被分别显示在三行。第一列展示了包含跟腱在内的脚踝的横截面图像，TE为0.14 ms，可以清晰地看到脚踝的解剖结构，胫骨腓骨的骨密质亮度较低，而跟腱的亮度较高，说明跟腱的信号确实被探测到了。余下四列分别为R2*图像1~4，在这些图像中包括跟腱、胫前肌腱、胫后肌腱、骨密质在内的短T2组织得到了增强，而肌肉、骨髓等长T2组织得到了抑制。胫骨肌腱在原始图像中与周围的肌肉组织亮度差别不大，难以分辨，在R2*图像中则可以很容易地被分辨出来。R2*图像1中长T2组织的区域相较其他图像抑制得不均匀；R2*图像4中，对长T2组织的抑制程度不够。表 1显示了图 2中所有图像的跟腱与骨髓的对比度，所有R2*图像的对比度都要明显高于原始图像(P＜0.01)。用第三、第四个回波计算得到的R2*图像2和3显示出较高的对比度。除了R2*图像2和3之间对比度未见明显差异(P＞0.05)，其它图像两两之间对比度均存在明显差异(P＜0.01)。
图2
第一个回波时间的人体脚踝横断面图像及用两个回波计算出的R2*图像
Figure2.
Axial images of human ankle acquired at the first TE and R2* maps calculated with two echoes
表1
第一个回波时间图像以及R2*图像中跟腱与骨髓的对比度
Table1.
Contrast between Achilles tendon and bone marrow in the first echo and R2* maps
图 3为被试2不同程度欠采样的结果。从左到右分别为用20%、10%、5%的满足奈奎斯特采样定理所需的数据量进行重建得到的第一个回波的图像，比较可以发现，随着参与重建的k空间数据减少，图像虽然没有出现传统意义上的卷绕，但变得更为模糊，组织边界难以分辨，在骨密质处尤为严重。图 3中的下行则显示了对应的R2*图像3，在由5%数据得到的图像中由于严重的模糊，骨密质、肌腱甚至跟腱都难以分辨，直接影响了UTE技术对短T2组织的成像能力。这三幅R2*图像中跟腱与骨髓的对比度分别为0.891、0.788和0.707。
图3
被试2的欠采样结果
Figure3.
Results of undersampling of Subject #2
3 讨论
理论上随着主磁场的降低，组织的T2*会缓慢地增大，因此短T2组织发出的信号在低场下应更易探测。然而低场的磁共振系统通常相较高场系统具有较低的硬件性能，这给低场下实现非传统序列带来了许多困难。再加上图像的信噪比与磁场场强成正比关系，更加剧了对低场下短T2组织成像的困难，因此适当的参数选择更显得尤为重要。
相比二维成像，三维图像能够提供更丰富的组织信息，分辨率更高，并且可以从任意方向观察图像。三维UTE成像更大的优势在于涡流对图像几乎没有影响，因为射频激发并不需要伴随的层选梯度，采集时也就不存在涡流的影响。此外，三维UTE图像中来自层外的干扰也很少，FOV之外的信号在采集时会被滤除。
在传统的磁共振均匀采样中，采样与读出梯度间的延时会产生k空间的回波位移，对应图像上沿读出方向的线性相位。这一相位可以很容易地被检测和校正，当只用到幅值图像时甚至可以直接忽略。而UTE成像中，在非均匀采集的k空间内，每次延时造成的位移均在不同方向，且每条轨迹都从k空间中心开始，因此微小的延时会导致十分明显的伪影产生。本文的结果也说明在UTE成像中，这一延时需要被仔细校准。
采集两个时刻的回波并计算它们的差值图像是一种简单有效的提高短T2组织相对于长T2组织对比度的方法，但R2*图像更直接地反映了组织的属性，不受组织质子密度不同的影响。相比于采用预饱和或反转脉冲技术抑制长T2组织，计算R2*图像的方法不需要对序列进行重新设计。参与计算R2*图像的回波数目越多，R2*图像的结果越准确，然而所需要的扫描时间也会按比例增加，因此本文只用了最少的回波数进行计算。本文中得到的R2*图像中组织的对比度比原始图像有了显著的提高。当两个回波相距太近时，R2*图像显得噪声较大，不易分辨短T2组织。而当两个回波相距太远时，对长T2组织的抑制则较弱，使得组织对比度不够大。因此选择一个适合待成像的短T2组织的TE是十分重要的。
在三维径向采样中，为缩短扫描时间通常都需要进行欠采样。欠采样在传统均匀采样的图像中会引起卷绕，而在径向采样的图像中引起的是条纹状伪影，因此适度的欠采样可以在牺牲较少图像质量的情况下大大减少扫描时间[13]。但在三维UTE中过度的欠采样导致的模糊会直接影响增强图像中短T2组织的显示，因此在选择欠采样程度时也需要慎重考虑。
4 结论
本文结果显示了选择合适的采样与读出梯度延时、计算R2*图像的TE以及欠采样率的重要性，通过合理的参数选择，可以在低场上实现三维UTE序列，对短T2组织进行成像。
0 引言
传统磁共振成像(magnetic resonance imaging，MRI)序列的回波时间(echo time，TE)通常在1 ms及以上，能够对人体内大多数软组织形成良好的对比度，包括脑灰质、脑白质、肌肉、脂肪及血液等[1]。然而人体中还存在着一部分短T2组织，例如骨密质、肌腱、韧带、半月板、牙质等等[2]。这些组织的T2在几百微秒至几毫秒之间不等，当k空间中心被采集时这些组织的信号已经衰减了很大部分甚至几乎为零[3]。因此在传统磁共振图像中这些短T2组织通常呈现极弱甚至为零的信号。虽然在这种情况下仍然可以得到短T2组织与周围组织在解剖结构上的相对位置信息，但短T2组织本身的结构、生理信息都被丢失了。
为了对短T2组织进行成像，研究人员提出了两类方法：延长组织的T2或者缩短成像序列的TE。当肌腱组织与主磁场的角度从0°增大至55°时其T2值会由几毫秒增大至二十多毫秒，55°角也因此被称为“魔角”[4]。魔角成像无需对序列进行调整，但对被成像者的体位有一定要求[5]，并且能够产生魔角效应的短T2组织也有限。变回波时间序列采用中心TE短、周围TE长的方式缩短整个k空间的有效TE[6]，重建简单，但能够达到的TE仍在几百微秒的数量级上。零回波时间序列从不关闭读出梯度，能够达到真正意义上的TE为零[7]，但是对系统要求很高，目前都只能在高场高性能磁共振系统中才能实现。
三维超短回波时间(ultrashort echo time，UTE)成像利用短时硬脉冲进行全激发，激励后马上进行从中心开始的径向半k空间轨迹采集，这种成像方式使得TE能够达到200μs以下[8]。与二维UTE成像相比，三维UTE成像不受最大梯度限制，能够达到更高的空间分辨率，由于采集时间长也具有更高的信噪比。除了能够对短T2组织进行成像，UTE技术还使得对短T2组织的定量测量成为可能[9]。因此，三维UTE成像技术成为了近年来的研究热点，然而几乎所有研究都是在高场下进行的。考虑到在发展中国家仍有数量巨大的低场磁共振系统在使用，因而开展基于低场的UTE研究也是迫切需要的。
本文在0.35T磁共振系统中实现了三维UTE序列，对跟腱进行成像。由于UTE序列从k空间中心开始径向采样的特殊性，UTE图像对采样与读出梯度间的延时十分敏感[10]，因此采用不同的延时时间重建UTE图像，确定最优的延时时间。为了突出显示短T2组织，通常采用的方法是计算两个回波图像的差值图像[11]，本文利用两个回波直接计算R2*图像，改变回波时间，确定0.35T下跟腱成像的最优第二回波时间。在三维UTE采样中，为缩短扫描时间往往采用欠采样，径向轨迹对欠采样的容忍度较高，相比于均匀采样图像中由欠采样引起的伪影也较小，本文用不同的欠采样率对图像进行重建，测试低场下UTE对欠采样的容忍度。
1 材料与方法
本文利用XGY MRI OPER-0.35T永磁磁共振系统(宁波鑫高益磁材有限公司)中的EVO谱仪(MR Solutions有限公司)提供的平台实现了三维UTE序列，对人体跟腱进行成像。射频硬脉冲持续时间为0.12 ms，采样带宽40 kHz，最短有效TE为0.14 ms，重复时间(repetition time，TR)20 ms，每个重复时间采集70个采样点。所有图像的重建都采用网格化法(gridding)。
对采集与读出梯度间延时的微调是在水模以及橡皮上进行的。两个字母形状的水模和一个瓶状水模中注有硫酸铜溶液，模拟长T2组织，两块不同种类的橡皮模拟短T2组织。视野(field of view，FOV)在三个方向上都为160 mm，分辨率在三个方向上相同，为1.25 mm，激励脉冲翻转角为35°，共采集10 287条半k空间轨迹，重建矩阵为边长128像素的立方体，扫描时间为206 s。调节采集与读出梯度间的延时参数重建图像，调节的步长为10μs，通过比较不同延时对应的图像可以得到最优的延时参数。
本文对三名健康被试(男性一人，女性两人，22~25岁)进行了在体三维UTE成像实验，用头线圈接收脚踝部的磁共振信号。射频激励翻转角为25°，其余成像参数与水模实验相同。共采集了5个不同时刻的回波，TE分别为0.14、1.14、2.64、4.14以及6.14 ms，总扫描时间为17.2 min。为了抑制长T2组织在图像中的亮度，实验中用两个回波计算R2*图像的方法增强短T2组织相对于长T2组织的对比度。由于噪声的存在，用不同回波时间的图像计算R2*图像得到的结果会有所不同，选择最佳的回波时间需要已知噪声大小以及组织的T2*。由于跟腱在0.35T低场下的T2*未知，因此比较了不同回波计算得到的增强结果。以第一个回波作为原始图像，用第一、二个回波计算R2*图像1，第一、三个回波计算R2*图像2，第一、四回波计算R2*图像3，第一、五回波计算R2*图像4。在每幅图像中计算跟腱与骨髓的对比度，并进行了两两之间的t检验，认为P值小于0.05为差异有统计学意义。其中采用的对比度的计算公式为[12]：C=(Stendon-Smarrow)/(Stendon+Smarrow)，其中S为某一组织在感兴趣区域内的信号均值。
为研究低场下三维UTE对欠采样的容忍度，用四分之一、二分之一以及全部的采样数据分别进行图像重建，分别对应满足奈奎斯特采样定理所需的采样数据量的5%、10%及20%。同样地，在计算出的R2*图像中分别测量跟腱与骨髓的对比度，比较其差别。
2 实验结果
图 1显示了用不同采集与读出梯度延时进行重建的结果，从左至右分别为沿x轴、y轴和z轴的延时产生的结果，也就是沿三个不同方向的图像。第一行是参数调节的最优结果，对应较为准确的延时时间，这些图像边缘清晰，水模或橡皮内部亮度均匀。第二行是用较长的延时参数得到的图像，第三行则是用较短的延时参数得到的图像，两者与上述准确延时都相差10μs。在这些延时不准确的图像中，水模的边缘都产生了伪影，或表现为错误的边缘增强，或表现为空气中出现信号。可以发现，微小的延时在三维UTE成像中会造成较大的差别，而在传统的梯度回波或自旋回波图像中，长达几百微秒的延时都不会对图像产生明显影响。
图1
不同延时重建得到的图像
与最优调节结果(上)相比，较长延时(中)与较短延时(下)的结果图像中水模边缘都产生了伪影或边缘增强
Figure1. Images reconstructed with different delayscompared to the optimized results (upper row), images obtained with a longer delay (middle row) or a shorter delay (lower row) show artifacts and enhancement around edges of phantoms
用不同回波计算R2*图像的结果显示在图 2中，三名被试的图像被分别显示在三行。第一列展示了包含跟腱在内的脚踝的横截面图像，TE为0.14 ms，可以清晰地看到脚踝的解剖结构，胫骨腓骨的骨密质亮度较低，而跟腱的亮度较高，说明跟腱的信号确实被探测到了。余下四列分别为R2*图像1~4，在这些图像中包括跟腱、胫前肌腱、胫后肌腱、骨密质在内的短T2组织得到了增强，而肌肉、骨髓等长T2组织得到了抑制。胫骨肌腱在原始图像中与周围的肌肉组织亮度差别不大，难以分辨，在R2*图像中则可以很容易地被分辨出来。R2*图像1中长T2组织的区域相较其他图像抑制得不均匀；R2*图像4中，对长T2组织的抑制程度不够。表 1显示了图 2中所有图像的跟腱与骨髓的对比度，所有R2*图像的对比度都要明显高于原始图像(P＜0.01)。用第三、第四个回波计算得到的R2*图像2和3显示出较高的对比度。除了R2*图像2和3之间对比度未见明显差异(P＞0.05)，其它图像两两之间对比度均存在明显差异(P＜0.01)。
图2
第一个回波时间的人体脚踝横断面图像及用两个回波计算出的R2*图像
Figure2.
Axial images of human ankle acquired at the first TE and R2* maps calculated with two echoes
表1
第一个回波时间图像以及R2*图像中跟腱与骨髓的对比度
Table1.
Contrast between Achilles tendon and bone marrow in the first echo and R2* maps
图 3为被试2不同程度欠采样的结果。从左到右分别为用20%、10%、5%的满足奈奎斯特采样定理所需的数据量进行重建得到的第一个回波的图像，比较可以发现，随着参与重建的k空间数据减少，图像虽然没有出现传统意义上的卷绕，但变得更为模糊，组织边界难以分辨，在骨密质处尤为严重。图 3中的下行则显示了对应的R2*图像3，在由5%数据得到的图像中由于严重的模糊，骨密质、肌腱甚至跟腱都难以分辨，直接影响了UTE技术对短T2组织的成像能力。这三幅R2*图像中跟腱与骨髓的对比度分别为0.891、0.788和0.707。
图3
被试2的欠采样结果
Figure3.
Results of undersampling of Subject #2
3 讨论
理论上随着主磁场的降低，组织的T2*会缓慢地增大，因此短T2组织发出的信号在低场下应更易探测。然而低场的磁共振系统通常相较高场系统具有较低的硬件性能，这给低场下实现非传统序列带来了许多困难。再加上图像的信噪比与磁场场强成正比关系，更加剧了对低场下短T2组织成像的困难，因此适当的参数选择更显得尤为重要。
相比二维成像，三维图像能够提供更丰富的组织信息，分辨率更高，并且可以从任意方向观察图像。三维UTE成像更大的优势在于涡流对图像几乎没有影响，因为射频激发并不需要伴随的层选梯度，采集时也就不存在涡流的影响。此外，三维UTE图像中来自层外的干扰也很少，FOV之外的信号在采集时会被滤除。
在传统的磁共振均匀采样中，采样与读出梯度间的延时会产生k空间的回波位移，对应图像上沿读出方向的线性相位。这一相位可以很容易地被检测和校正，当只用到幅值图像时甚至可以直接忽略。而UTE成像中，在非均匀采集的k空间内，每次延时造成的位移均在不同方向，且每条轨迹都从k空间中心开始，因此微小的延时会导致十分明显的伪影产生。本文的结果也说明在UTE成像中，这一延时需要被仔细校准。
采集两个时刻的回波并计算它们的差值图像是一种简单有效的提高短T2组织相对于长T2组织对比度的方法，但R2*图像更直接地反映了组织的属性，不受组织质子密度不同的影响。相比于采用预饱和或反转脉冲技术抑制长T2组织，计算R2*图像的方法不需要对序列进行重新设计。参与计算R2*图像的回波数目越多，R2*图像的结果越准确，然而所需要的扫描时间也会按比例增加，因此本文只用了最少的回波数进行计算。本文中得到的R2*图像中组织的对比度比原始图像有了显著的提高。当两个回波相距太近时，R2*图像显得噪声较大，不易分辨短T2组织。而当两个回波相距太远时，对长T2组织的抑制则较弱，使得组织对比度不够大。因此选择一个适合待成像的短T2组织的TE是十分重要的。
在三维径向采样中，为缩短扫描时间通常都需要进行欠采样。欠采样在传统均匀采样的图像中会引起卷绕，而在径向采样的图像中引起的是条纹状伪影，因此适度的欠采样可以在牺牲较少图像质量的情况下大大减少扫描时间[13]。但在三维UTE中过度的欠采样导致的模糊会直接影响增强图像中短T2组织的显示，因此在选择欠采样程度时也需要慎重考虑。
4 结论
本文结果显示了选择合适的采样与读出梯度延时、计算R2*图像的TE以及欠采样率的重要性，通过合理的参数选择，可以在低场上实现三维UTE序列，对短T2组织进行成像。
