相位对比磁共振成像(phase-contrast magnetic resonance imaging，PC-MRI)是一种利用液体流动产生的相位变化来测量液体流动速度的磁共振成像技术^{[1, 2]}.该技术目前已经广泛应用于临床磁共振成像，包括在一个心动周期内血液流量和流动速度的测量^{[3, 4, 5]}以及脑脊液流动速度的测量^[6].

目前关于是否在基于梯度回波的相位对比磁共振序列中使用扰相射频脉冲的问题还没有被很好地分析.Bernstein等建议使用相位对比磁共振序列对流动的质子成像不需要使用扰相射频脉冲^[7]，Draney等建议使用扰相射频脉冲^[8].本文的研究目的就是要通过理论分析和实验确定是否需要在基于梯度回波的相位对比磁共振序列中使用扰相射频脉冲，以及使用的条件等相关问题.

可以用于相位对比磁共振成像的序列种类包括基于梯度回波^[9]的序列和基于平面回波^[10]的序列等等，其中基于梯度回波的相位对比磁共振序列应用最为广泛.因为虽然基于梯度回波的相位对比磁共振成像速度比基于平面回波的相位对比磁共振慢，但是有更好的信噪比并且几乎没有图像形变.

在相位对比磁共振成像中会得到两组不同的相位图像分别称为流动补偿(flow compensate，FC)和流动编码(flow encoding，FE).流动补偿在相位图像上不会反映出液体的流速，流动编码在相位图像上值的高低反映出流动速度的快慢，两幅相位图像相减后得到的相位差图像即包含了液体流动速度快慢的信息^[11].

如图 1所示典型2维相位对比磁共振成像序列是基于梯度回波序列的，在相位编码梯度(phase encoding gradient，G_PE)方向和读出梯度(read out gradient，G_RO)方向上都是典型的梯度回波梯度结构，但是在选层梯度(slice select gradient,G_SS)方向上会使用不同的梯度结构来实现流动补偿(图 1中实线表示)和流动编码(图 1中虚线表示).

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 相位对比磁共振序列的时序图 Fig. 1 The diagram of the PC-MRI sequence

在梯度回波序列中使用扰相射频脉冲可以得到更好的T1加权像，因为扰相射频脉冲可以更好地使垂直于静磁场方向的质子散相.扰相射频脉冲是通过改变每次激发时射频脉冲的相位来实现的，扰相射频脉冲的相位计算公式为^[12]

其中：β表示扰相射频脉冲的相位；n表示激发的次数；φ表示射频脉冲相位增加量.关于如何选择合适的φ值已经有很多的研究，Zur等研究表明使用117^o效果较好^[13]，而Scheffler等的研究指出117^o和50^o都可以得到好的效果^[14],在本实验中使用Scheffler推荐的50^o.扰相射频脉冲虽然可以更好地使质子散相，但是每次激发都改变相位也会导致信号不能进入稳态，信号的波动会导致图像上出现伪影，所以扰相射频脉冲不能单独使用而需要足够的扰相梯度搭配.

在针对静止物体成像的梯度回波成像序列中使用扰相射频脉冲可以得到纯的T1加权图像.相位对比磁共振主要是针对流动的液体成像，对于流动的液体和静止的物体来说扰相射频脉冲的作用完全不同，而且在相位对比磁共振成像中并不需要得到T1加权的图像，而更在乎图像中需要测量部分(流动液体)的信号强度，以及最后测量结果的准确性.

扰相射频脉冲对于流动液体中质子的作用可以用图 2来描述，为了使分析简单直观，以下的分析中假设序列中不使用扰相梯度.当质子在成像平面内时，质子的相位和扰相射频脉冲的相位一致(图 2中成像平面内的黑色箭头表示对应质子的相位)，但是当质子流出成像平面后质子就不再受到扰相射频脉冲的影响(图 2中成像平面外的箭头表示流出成像平面质子的相位)，那么质子的相位就和流出前最后一次受到的扰相射频脉冲相位相一致.

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 扰相射频脉冲对流动质子的散相示意图 Fig. 2 The phase dispersion diagram of the flowing protons with RF spoiling

因为扰相射频脉冲的相位在每次激发时都会改变，所以任意时刻流出成像平面的质子相位几乎都不相同.因为流出成像平面的质子仍旧有信号(按照T2*弛豫方式衰减)，所以流出成像平面的质子在完全衰减之前其信号都可以被收集.这些流出成像平面的质子相位各不相同，将其信号相加后可以产生不完全的抵消效果，即散相的效果.

为了验证理论分析的正确性，先使用了Block方程模拟的方法来验证扰相射频脉冲需要足够的扰相梯度来保证信号维持在稳态，然后设计了流动模体实验和志愿者实验来进行验证.

由于扰相梯度造成的体素内质子散相效果符合SINC函数^[7]，那么就意味着当扰相梯度为2nπ时理论上可以达到非常好的体素内质子散相效果，并且随着扰相梯度的增大散相的效果也越来越好.

在仿真中假设一个体素内沿扰相梯度方向有100个质子，每个质子的信号强度都为1，然后对这100个质子施加扰相射频脉冲和扰相梯度.其中扰相射频脉冲相位增加量φ=50°，扰相梯度分别使用了0π和4π两组作为对比.根据相位对比序列的特点在仿真中将奇数次采集的数据结果设定为流动补偿，将偶数次采集的结果设定为流动编码.将流动编码的信号减去流动补偿的信号并求其相位就得到了相位对比的信号.

在模体和志愿者实验中使用的成像设备都是西门子Avanto 1.5T磁共振系统，该磁共振系统具有40mT/m的最大梯度磁场强度和200T/(m·s^-1)的最大梯度磁场切换率.在实验中使用了6通道的体线圈和6通道的表面线圈来采集信号.

流动模体的实验包括一个内径为20mm，管壁厚度为1mm的圆形软管，中间充满溶液(40%甘油，60%水)用来模拟血液，为了增强图像的信噪比将软管浸入一个充满水的水槽.圆管中的溶液使用CardioFlow 1000MR系统来控制其流速.在实验中采用了50mL/s的流速.因为研究发现有部分椎动脉发育不良者的血流会降至低于50mL/s，所以50mL/s对于部分病人的血流测量是有意义的.

在志愿者扫描实验中扫描了5名志愿者(1名女性，4名男性，年龄28.6±1.5岁)，并且这5名志愿者都没有心脏病史，扫描时志愿者平躺.在实验中采集了升主动脉和肺主动脉两个部位的图像，采集这两个部位的血流是因为这是人体中最粗的血管之一，可以减小由于空间分辨率不足导致的部分容积效应，并且升主动脉和肺动脉在一个心跳周期内的血流量基本相等，可以作为一个测量是否准确的验证.其中升主动脉的成像平面垂直于冠状动脉开口远端的升主动脉，肺主动脉的成像平面在从肺动脉瓣和肺动脉干分叉处之间.实验中相位对比磁共振序列里使用了回顾的心电门控技术，并且信号采集过程中需要志愿者屏气.

在流动模体和志愿者实验中使用了相同的成像参数，参数如下：成像矩阵(matrix)大小为192×192，成像视野(FOV)320mm×320mm，TE/TR=2.56/4.5ms，翻转角度(flip angle)为30^o，读取带宽(readout bandwidth)为814Hz/voxel.每一次心动周期时相采集4行空间数据，采用2倍GRAPPA采样的并行采样方式，2维穿过采样平面流速编码为(velocity encoding,VENC)150cm/s.

因为在流动模体实验中没有心跳的信号，所以使用了西门子磁共振系统提供的模拟心跳信号，模拟的心跳信号为60次/min.

在实验中分别采集了有扰相射频脉冲和没有射频脉冲的数据.同时在实验中分别使用了扰相梯度为0π,1π,2π,3π,4π,6π的相位对比磁共振序列来进行扫描.

实验图像都使用Osirix软件进行图像处理.首先使用Osirix提供的ROI (region of interest) 绘制工具绘制出模体(血管)的轮廓，然后使用自己编写的基于Osirix软件的Plug-in程序来根据图像的ROI的面积和ROI内的像素值以及VENC来计算出流速.

将得到的相位对比图像像素范围的最大值映射为+VENC，最小值映射为-VENC，这样相位对比图像的像素值就映射为了流速值.通过对单位时间内ROI内部所有的像素值对应的流速求平均再乘以ROI的面积，就得到了单位时间内穿过成像平面流量.因为临床应用的相位对比磁共振成像是将一个心动周期分成了多个心动周期时相，所以将每个心动周期的流量相加就可以得到一个心动周期的总流量，将总流量除以时间就得到一个心动周期内的单位时间平均流量.

仿真结果如图 3所示，在使用扰相射频脉冲的前提下，使用0π和4π扰相梯度中强度信号和相位对比信号的两组实验结果.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 扰相梯度对扰相射频脉冲的影响 Fig. 3 Effect of the gradient spoiling for RF spoiling (a)—0π,强度； (b)—4π,强度; (c)—0π,相位对比； (d)—4π,相位对比.

图 3a和图 3b分别表示扰相梯度为0π时的强度信号和相位对比信号，因为相位对比信号是偶数的回波信号减去奇数的回波信号然后求其相位，所以相位对比信号数量只有强度信号的一半.从图中可以看出信号一直在振动无法进入稳态.图 3c和图 3d分别表示扰相梯度为4π时的强度信号和相位对比信号，从强度图中可以看出在80个回波信号之后强度信号就进入了稳态，同样在相位对比图上在40个回波信号后相位对比信号进入了稳态.

流动模体实验结果显示在扰相梯度不足时(比如0π)，使用扰相射频脉冲会使得相位对比磁共振的强度图像和相位对比对象在相位编码方向上都会出现伪影(图 4)，并且随着扰相梯度的增加无论是否有扰相射频脉冲，图像上都没有可见伪影.在测量液体流量时在扰相梯度不足的前提下使用扰相射频脉冲比不使用扰相射频脉冲要更为准确(表 1)，随着扰相梯度的增加无论是否使用扰相射频脉冲都可以得到准确的流量测量结果.

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 流动模体实验中使用和不使用扰相射频脉冲的图像 Fig. 4 The images of flow phantom experiment for with/without RF spoiling (a)—有射频扰相脉冲； (b)—无射频扰相脉冲.

图 5展示了志愿者实验中其中一位志愿者的升主动脉强度图像和相位对比图像.和流动模体实验相似，志愿者实验中的强度图像和相位对比图像同样显示在没有或者扰相梯度不足时，使用扰相射频脉冲会使得图像在相位编码方向上出现伪影.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 流动模体和志愿者实验中流量的测量结果 Table 1 The measured flow of the flow phantom experiment and volunteer experiment mL·s-1 测试对象 有无扰相 0π 1π 2π 3π 4π 6π 流动模体 有扰相 50.4 51.9 56.6 52.6 50.6 50.6 无扰相 1.5 55.0 45.3 48.7 49.9 49.7 志愿者(升主动脉) 有扰相 88.0±47.3 90.1±15.7 83.0±18.9 81.3±18.9 79.7±17.5 79.7±15.1 无扰相 39.8±10.2 79.1±18.5 76.7±9.5 78.1±11.5 79.0±14.3 79.0±15.3 志愿者(肺动脉) 有扰相 104.7±30.4 88.1±17.1 78.0±15.5 75.1±13.8 78.0±13.8 78.6±14.6 无扰相 40.3±9.6 67.0±14.0 75.0±13.3 73.0±14.3 78.0±16.3 79.2±16.5

表 1 流动模体和志愿者实验中流量的测量结果 Table 1 The measured flow of the flow phantom experiment and volunteer experiment

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 志愿者实验中使用和不使用扰相射频脉冲的图像 Fig. 5 The images of volunteer experiment for with/without RF spoiling

表 1包括了流动模体实验中有无扰相射频脉冲前提下改变扰相梯度得到的流量值，以及5组志愿者实验计算得到的流量平均值和标准差.从表 1可以明显地看出，在扰相梯度不足(如表 1中的0π)的前提下，使用扰相射频脉冲比不使用扰相射频脉冲的结果更好，即扰相射频脉冲起到了让质子散相的效果.和前面在图像中观察到的结果一致，在使用了充足的扰相梯度之后无论是否使用扰相射频脉冲都可以得到很好的测量结果.

通过对图像的分析发现扰相射频脉冲不只会影响流速测量的准确性，对图像的对比度也有影响.如图 6所示，在两幅分别为使用和不使用扰相射频脉冲的图像上画出血流区域(ROI_1)和静止组织区域(ROI_2和ROI_3).分别计算得到3组ROI的像素值，可以看出对于相对静止的组织来说使用扰相射频脉冲比不使用扰相射频脉冲的信号强度低，但是对于流动的液体来说扰相射频脉冲不会对其信号强度造成影响(表 2).

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 不同的ROI中测量得到的像素值 Fig. 6 The effect of the RF spoiling for pixel value of the volunteer experiment image

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 流动模体和志愿者实验中流量的测量结果 Table 2 the measured pixel value of different ROI 有无扰相 ROI_1 ROI_2 ROI_3 有射频扰相脉冲 232.3 20.2 25.9 无射频扰相脉冲 235.2 44.1 42.7

表 2 不同的ROI中测量得到的像素值 Table 2 the measured pixel value of different ROI

这是因为使用扰相射频脉冲可以使静态组织内的质子更加充分地散相，进而信号强度变得更低.而对比流动液体中的质子一旦其流出成像平面就不再会受到扰相射频脉冲的影响，所以扰相射频脉冲几乎不会改变流动液体的信号强度.

这就意味着使用扰相射频脉冲会使得图像有更好的对比度噪声比(contrast noise ratio，CNR)，静态组织和流动液体更好的对比度可以使得识别血管边界更加容易和准确，也就意味着画出感兴趣ROI区域更容易.

1) 与不使用扰相射频脉冲的相位对比磁共振成像相比使用扰相射频脉冲可以更快地使质子散相，但是要得到无伪影且流量测量准确的图像，充足的扰相梯度是必须的.

2) 扰相射频脉冲的使用会使得相位对比磁共振图像中静止组织的信号降低，使得流动液体和静止组织间的对比更加明显.