MRI基础知识——梯度场

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磁共振成像中，梯度场是一个非常重要的部分，在脉冲序列中也基本上是不可或缺的，梯度场的作用非常多，本期内容详细介绍梯度场的相关知识。


昨天飞到了甘肃省兰州市，这样全国所有的省级行政单位（包括港澳台）已经全部飞完了。

兰州中川机场不愧为全国离市区最远的机场，打车到市区70公里，在车上足足坐了1小时40分钟。写一篇文章的时候都够了。
公众号很久都没有写MRI基础知识了，可能前面写了很多文章，大部分文章都写的比较长，而且内容比较概括。随着大家学习的深入，我认为应该把一个小知识点或者部分写得更深入、更细致，特别是对于基础部分，不再追求单纯的广度，而是尽量讲细。前面写过射频脉冲系统，本期内容则开始讲解梯度场。
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对于MRI的脉冲序列，除了必须需要的射频脉冲（RF脉冲），梯度场也基本上是不可或缺的。


一.梯度系统及梯度场
所谓的梯度实际上是指在空间方向上满足某种数学规律的线性变化。而具体到磁共振中，人们引入了梯度系统来对磁共振信号进行空间定位。梯度系统主要由梯度线圈（Gradient Coil）、梯度放大器、模数转换器、梯度控制器等组成，主要的作用是产生成像所需要的梯度磁场。另外，梯度磁场的变化也会产生磁共振信号，这种信号也就是梯度回波信号。
要得到临床可以使用的影像图像，我们需要把磁共振信号重建为一层一层的断层图像，并且每一层图像中各个像素中的空间位置要和实际的人体解剖结构一一对应。这就需要对磁共振信号进行三维的空间编码，分别是X、Y、Z。梯度磁场能将这种空间位置信号和磁场大小一一对应起来。通过在梯度线圈中通过不同大小及方向的电流，可以控制梯度磁场的大小和方向。磁共振系统中主要有三对梯度线圈，分别可以在三个方向产生梯度磁场，另外不同梯度线圈可以组合使用，产生任意方向的梯度磁场，这也是为什么磁共振可以进行任意方向扫描的基础。
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图2：三对梯度线圈形成三个方向的梯度

二.梯度场的特性及关键指标参数


评价梯度系统的指标主要有梯度场强、梯度切换率及梯度线性度等。

图3：梯度系统的性能反映

最大梯度场强Max Amplitude代表梯度系统输出的最大梯度磁场或者梯度峰值强度。它的单位是mT/m，前面的mT代表毫特斯拉，后面的m表示长度单位米。它的计算公式为：梯度场强（mT/m）=梯度场两端的磁场强度之差÷梯度场有效长度。梯度场强越大则形成的梯度场越大，现在很多高性能的磁共振能够达到的梯度场强是80mT/m甚至100mT/m。
梯度爬升时间Rise Time表示梯度场从0到达最大峰值所需要的时间。梯度线圈通电后就会产生梯度磁场，但是这至少需要一点时间，这个时间就是梯度爬升时间。
梯度切换率Slew Rate是描述梯度场变化快慢的一个指标，表示单位时间内梯度场强的变化量，它的单位是mT/m/ms，也反映了梯度场从0到达最大值的爬升速度。梯度切换率越高，则达到最大梯度场强所需要的爬升时间越短，梯度所占据的时间窗则越小。梯度切换率的计算公式为：梯度切换率=梯度场强（mT/m）÷爬升时间（ms）。从图8中可以发现，梯形的腰越陡，则梯度切换率越大，达到有效梯度场所需要的爬升时间越短。随着磁共振硬件系统的发展，爬升时间越来越短，梯度切换率越来越大，目前最高性能的磁共振梯度切换率甚至可达到220mT/m/ms。
梯度系统的梯度场越大或者梯度切换率越高，一般对于成像是有提高的，特别是在扫描速度，DWI序列等方面。

图4：梯度切换率变大，梯度作用时间缩短，成像速度提高

梯度系统性能越好，则爬升时间越短，梯度切换率越大，达到作用梯度所需要的时间越短，成像速度也就越快。这一点对于需要大量使用梯度系统的序列尤为重要，比如EPI序列或者3D序列。通过增大梯度切换率可以显著的缩短扫描时间。


三.最大梯度场强和峰值梯度场强的区别
可能有时候大家看厂家的所谓标称参数或者设备硬件性能听到过最大梯度场强和峰值梯度场强这两个概念。这两个概念之间有什么区别呢？给大家看一幅图就比较直观了。

图5：最大梯度场强和峰值梯度场强的区别

最大梯度强度（Max Amplitue）：是可用于临床的最大梯度强度，是衡量产品性能的最重要参数之一。此参数特指实际临床可用最大强度，此参数是不包含额外预留涡流补偿梯度及为保证功放稳定输出预留15%余量的情况下测得参数。而峰值梯度场强（Peak Amplitude）则是指梯度功放最大可输出瞬时梯度电流所对应的场强。这个参数是梯度最大场强叠加涡流补偿以及为保持梯度功放稳定性所预留的降额，不具备临床意义。一般来讲，峰值梯度场强是最大梯度场强的1.2~1.3倍。比如，一个设备写的Peak Amplitude是45mT/m，则可以大概推算其最大梯度场强Max Amplitude为45÷（1.2或1.3）≈36mT/m。这里又涉及到了什么涡流补偿，那么什么是涡流补偿呢？其实我们知道，梯度不可能是理想的，也就是在爬升阶段和下降阶段其形状不可能是一个理想的矩形或者梯度，如下图所示。

图6：梯度场的形状（图片来自飞利浦科学家吴鹏老师一个讲课里的ppt）

图6所示，梯度场爬升的过程，实际上产生的是一个变化的磁场（还没有达到最大梯度场）。根据楞次定律，增反减同，这个变化的磁场就会在MRI系统的金属部件中产生感应电流。该感应电流反过来又会产生一个磁场，而这个产生的磁场会阻碍梯度场的变化。
梯度爬升阶段（爬升沿），由于磁场是一个正值，产生的感应磁场是个负值，阻碍梯度场的爬升。反之亦然，下降阶段（下降沿），产生的感应磁场是正值，延缓梯度场的下降。为了补偿涡流的影响，所以在进行梯度场的爬升或者下降阶段，就会考虑到涡流的影响，会对涡流进行补偿。


四.梯度场作用
梯度场在MRI成像或者脉冲序列中作用非常多，不仅仅是大家表面理解的梯度回波需要用梯度场切换产生信号。磁共振成像中不同目的为设计不同的梯度场组合，这种我们可以把它称为梯度模块。首先，最常用的梯度模块就是为了选择层面或者进行空间定位用到的梯度场。这里是利用了引入梯度之后，空间位置和磁场大小对应的关系来进行定位。
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图7：层面选择梯度

层面选择梯度一般配合射频脉冲达到一个对于某一层面的精准选择。

图8：层面选择梯度，红圈的两个就是



打开层面选择梯度，然后再使用90°射频激发脉冲，可以选择性地激发某一层面，这就是层面选择梯度场的作用。
除了层面选择，另外两个方向的空间定位也依赖于梯度，比如相位编码梯度和频率编码梯度。
所以，梯度场的第一个主要作用是空间定位。可以叫做空间定位梯度模块。
当然，我们教科书或者很多文章里看到的梯度并不是这样的，而是有另一半（叶）的，这是由于施加了梯度之后，本身就会引起（加速）质子群的散相。在达到了目的之后，为了避免散相，进行补偿，还需要另一叶梯度，该叶梯度场起到的作用是补偿。

图9：注意红圈里

如图所示，先打开层面选择梯度，然后使用90°射频脉冲选择性激发某一层面，然后选层梯度还需要补偿，梯度面积为前面的一半。这里解答两个问题，既然是补偿，为什么面积是一半呢？大家可以想想，一开始梯度场打开，射频脉冲才开始施加，此时纵向磁化矢量并没有被反转到水平方向。所以只需要补偿前面梯度面积的一半。

图10：补偿梯度只需要补偿前面一半的面积

如图10所示，保证①②部分的面积A等于②③部分的面积B就可以了。
另外一个疑问，大家可能会问，90°射频脉冲需要选层梯度，180°重聚脉冲也需要选层梯度，这个没毛病。为什么90°的那个层面选择梯度需要补偿，180°的那个不需要呢？实际上因为180°脉冲本身具有镜像作用，使得质子之间位置发生镜像变化，所以不需要补偿了。
当然相位编码梯度也是一种空间定位梯度模块，包括频率编码梯度，这里就不做过多讲解了。

大家可以发现，要进行层面选择，90°射频脉冲对应的层面选择梯度是一组（或者可以叫做一对），正极性的梯度面积是A，负极性的梯度作为补偿梯度使用，面积为B。A=2×B。
频率编码梯度在读出信号的时候打开，为了保证读出信号的时候，刚好在中心得到最大信号。频率编码梯度也分为两叶。

这里需要说明，频率编码梯度除了进行空间定位的作用，本身也可以重聚信号，也就是说频率编码梯度的另外一个作用就是读出信号。这也是为什么频率编码梯度又叫做读出梯度的原因。
大家都知道，在频率编码梯度（读出梯度）的时候，会有两个部分，第一个部分是预散相部分，先让质子群加速散相。而第二个部分则是聚相部分。为什么要这样呢？为什么不能直接聚相呢？还是看图最明白。

图11：梯度回波序列中，频率编码梯度的主要作用是读出信号

图12为梯度回波序列的基本结构，和SE序列明显不同的是，回波信号的产生不依赖于重聚脉冲的作用。图中，注意射频脉冲上面标明α，代表一般梯度回波序列的激发脉冲角度都比较小，很少采用90°。第三排所示的频率编码梯度在信号的形成中起到了至关重要的作用，该梯度是一对，由两叶组成，梯度场方向相反。第一叶梯度首先起到的作用是加速质子的散相及FID信号的衰减，又把它叫做散相梯度（dephasing gradient）。射频脉冲激发后产生的FID信号以T2*为指数进行衰减，由于施加了梯度场加大的磁场的不均匀性，导致FID信号以T2**为指数衰减，此时信号衰减较快。第二叶梯度与第一叶梯度方向相反，会改变磁场不均匀性的方向，使得原本进动频率快的质子变慢，原本进动频率慢的变快，这样经过一定时间后，质子的相位会重聚产生信号，所以第二叶梯度又叫做聚相梯度（rephasing gradient）。当在第二叶梯度施加的中间时段，质子的相位刚好重聚产生了梯度回波，也叫场回波（Field Echo），此时的信号最大。为了保证在信号采集的中点得到最大的回波，需要满足第二叶梯度的作用面积是第一叶梯度的两倍即可。

图12：梯度回波序列中的读出梯度模块

如图12所示，所以对于梯度回波序列，读出梯度模块也是一组梯度场。第一叶散相梯度施加的时候，质子开始加速散相，当梯度场停止的时候，质子的相位差最大，此时信号最小；变化梯度场方向，第二叶聚相梯度开始作用，质子相位逐渐重聚，当刚好在聚相梯度持续的中点时刻，质子的相位完全重聚，信号最大。图中黄色的框代表梯度场的作用面积，第二叶梯度的面积是第一叶梯度的两倍。
而SE序列中，可以把读出梯度的两叶分别置于180°脉冲两侧，使得他们方向一致，也可以达到预散相-聚相作用。

图13：梯度回波序列和自旋回波序列的读出梯度模块对比

前面讲了两个主要功能的梯度模块：空间定位梯度模块和读出梯度模块（采集信号）。梯度场的功能及作用远远不止这些，我们知道梯度场的引入，引起了磁场不均匀，会加速质子群散相，造成信号衰减。所以，梯度场另外一个模块就是扰相模块（或者叫做饱和模块）。对于很多序列，特别是一些特殊的梯度回波序列，再采集完信号之后，我们希望信号立即衰减，此时可以利用梯度的性质对信号进行破坏。比如扰相梯度回波序列就是这样的。

图14：扰相梯度会不序列脉冲图，紫色的代表施加的扰相梯度



除了破坏残余的信号，在进行空间饱和或者脂肪抑制的时候，也会利用梯度的作用进行信号的破坏。
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对于很多化学饱和法的脂肪抑制，采用选择性的施加针对脂肪的预饱和脉冲激发脂肪后，再用扰相梯度把信号给破坏，从而达到脂肪抑制作用的目的，也是利用了梯度的这种性质。
这一类利用梯度来达到消除残余信号的目的的梯度模块叫做饱和梯度模块或者扰相梯度模块。
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前面说了梯度可以通过两叶或者多叶进行补偿，那么对于流动的液体（质子），也可以利用梯度的性质来进行流动补偿梯度。

图15：黄色部分是一个典型的流动补偿梯度



根据需要补充的流动特性（一阶、二阶还是更高阶），梯度的组合形式是不同的。如图16是一个比较简单的一级流动补偿梯度。

图16：一阶流动补偿梯度（图片来自吴鹏老师讲课课件图片）



五.双极梯度
这里专门介绍一种特殊的梯度模块——双极梯度。在DWI扫描及一些需要抑制流动组织的序列比如MSDE中是非常常见的。另外，在PC血管成像中也有双极梯度的概念。
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对于DWI序列中，双极梯度又叫做MPG，运动探测梯度Motion Probe Gradient。

图17：DWI序列中的双极梯度

图18：双极梯度加在SE（自旋回波）序列180°重聚脉冲两侧时，梯度方向相同。

图19：双极梯度加在FFE（梯度回波）序列时，梯度方向相反。



相位对比法（PC）进行血管成像利用的原理是流动组织（血管）经过一对双极梯度后，相位无法得到纠正，产生相位差从而形成对比。

图20：PC法中双极梯度的应用

还记得前面我们讲双极梯度又叫做MPG吗，也就是通过这种双极梯度的结构，达到对运动（流动）质子进行敏感探测的目的。不管是DWI中的双极梯度，还是PCA中的，其目的就是进行运动编码。


六.总结
本期内容主要介绍梯度场在MRI成像中的作用及在脉冲序列中的不同模块应用。我们熟悉的梯度场主要作用包括空间定位，信号读出，扰相（破坏残余信号），流动补偿，运动编码等。










2022.6.22      周三      于        兰州
         Viktor  Lee        李懋






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