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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,回波平面成像（Echo Planar Imaging,EPI）是当今最快的成像方法。通常可在 30ms 内采集完一幅完整图像，每秒可获取 20 幅图像1977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。1985 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。由于EPI技术需依赖于高性能梯度线圈，因此在临床上的应用一直到上世
2、纪90年代中后期才得以实现。,一、EPI技术,EPI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”。,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为常规EPI序列结构示意图，图中省略了层
3、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。,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
4、，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,（一）按激发次数分类（二）按EPI准备脉冲分类（三）按K空间填充方式分类,（一）按激发次数分类多次激发EPI(MS-EPI)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EPI,多次激发EPI（multishot EPI，MS-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
5、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，ETL16，则需要进行8次激发(128=16 x 8)。ETL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EPI,MS-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整个K空间的填充。两种序列的不同之处在于：（1）FSE序列是利用180复相脉冲采集自旋回波链，而MS-EPI
6、是利用读出梯度场的连续切换采集梯度回波链；（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；（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EPI,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。SS-EPI序列与单次激发FSE（SS-FSE）序列相似，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。SS-EPI序列是目前
7、采集速度最快的MR成像序列，单层图像的TA可短于100ms。,SS-EPI与MS-EPI各有优缺点：（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；（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。,（二）按EPI准备脉冲分类1.梯度回波EPI序列(GRE-EPI)2.自旋回波EPI序列(SE-EPI)3.反转恢复EPI序列(IR-EPI),梯度回波EPI序列(GRE-EPI),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1
8、a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),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
9、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
10、),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ETL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
11、-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。,(三)按K空间填充方式分类1.K空间迂回填充2.K空间螺旋填充,K空间迂回填充,上述多激
12、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EPI,GRE EPI,SE EPI,显示运动皮层的高分辨率EPI fMRI,EPI伪影,磁敏感性伪影原因：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。
13、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。,解决办法：扫描时尽量避开这些部位增加层厚、层间隔减小人为的磁化界面伪影校正方法：如GE Fiesta序列的binding伪影，可加局部匀场采用并行成像缩短回波链的持续时间,EPI成像优缺点,优点：成像快速，时间分辨率高，可用于动态成像和功能成像。EPI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。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,缺点：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。能在2
14、00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。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。EPI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。但是，利用EPI对磁化率的敏感性可以用来进行磁敏感性成像。对化学位移位移敏感，需进行水或脂肪信号的压制。易产生N/2鬼影。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,
