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心肌标记运动成像技术原理(Spatial Modulation of Magnetization ...

时间:1999-11-01

当心肌发生病变时,心肌往往表现为运动减弱、运动不能甚至反向运动,此时,心肌上标记的网格将随之表现为网格形变减弱、网格不消失等现象

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心肌运动标记成像(Tagging)是利用1D条纹或2D网格标记心肌,进行心肌运动电影成像,分析心肌运动幅度;在心肌运动的过程中,网格标记会随着心肌运动发生变形、移位,从而定性地判断心肌运动的强度。当心肌发生病变时,心肌往往表现为运动减弱、运动不能甚至反向运动,此时,心肌上标记的网格将随之表现为网格形变减弱、网格不消失等现象。在心肌图像上进行网格标记的脉冲,一般是使用SPAMM(Spatial Modulation of Magnetization)技术(图1)。

图1,心肌运动标记图像。左图为网格状心肌标记,右图为条带状心肌标记。这些网格将随着心肌运动,发生形变,随着时间延长而逐渐减弱、消失。

【技术原理】

Tagging(标记)是在成像序列之前施加的一组射频和梯度脉冲组合,最常用的方法是两个非选择性正反90度脉冲之间使用一个选择性空间调制梯度,使这一对射频脉冲在图像空间上形成一个等距离分布的条带网格。Tagging方法所使用SPAMM技术,其中所涉及到射频和梯度组合形成网格标记的原理(图2),弛豫过程(图3)和梯度脉冲的空间调制(图4)、脉冲序列时序(图5),将在下面系列图示里解释。

图2,Tagging脉冲组合。第一个非选择性的正向90度脉冲,将成像空间内的所有质子纵向弛豫M0激发到横向Mxy平面,然后在频率编码方向Gx或相位编码方向Gy上施加一个空间调制梯度脉冲(Tagging Gradient, TG),在这个梯度TG的作用下,将第一个90度脉冲作用下产生的横向磁化矢量,在空间上间隔一定的距离,受到第二个负向90度的作用,横向磁化矢量汇聚到纵向。在第二个负向90度脉冲之后,施加一个扰相梯度,消除所有残留横向磁化矢量对成像的影响。这种Tagging方法使用的技术叫作SPAMM,在其后的电影成像中,只有被SPAMM选中的质子得到了信号采集,形成图像,而未被选中的质子形成心肌运动电影成像中的黑色网格。

图3,SPAMM脉冲弛豫过程示意图。图a,在初始状态下,纵向磁化矢量M0与静态主磁场Mz平行;图b,在正向射频脉冲RF作用下,纵向磁化矢量M0偏离主磁场方向,倒向横向My方向,如果是90度射频脉冲,则M0翻转90度,位于横向平面Mxy的My上;图c,射频脉冲结束后,磁化矢量M0开始发生纵向和横向弛豫;图d,在调制梯度脉冲的作用下,在空间上间隔一定的距离,M0横向磁化矢量的指向又到了My方向;图e,此时施加负向射频脉冲,则位于My方向上的横向磁化矢量恢复到Mz方向。在其后的序列信号采集中,只有在空间上被SPAMM选中的质子得到了采集形成图像,而未被负向射频脉冲影响的质子不产生信号,形成心肌运动电影成像中的黑色网格。

图4,SPAMM脉冲空间标记示意图。在左图中,标记梯度脉冲,实际上是对横向磁化矢量Mxy在空间上进行调制,形成如上图x轴上的横向弛豫矢量Mxy在空间位置上的弛豫变化,在负向射频脉冲的作用下间接对纵向弛豫的恢复产生影响,上图中Tag指向的波峰位置即为标记的高信号网格,波谷即为标记的黑色网格。右图即为水模实验中,水模图像上覆盖被标记的条纹状网格。

【脉冲序列】

SPAMM脉冲心肌运动标记成像脉冲序列时序见图5。标记脉冲由两个非选择性的方向相反的90度射频脉冲对组成,两个脉冲之间是标记调制梯度脉冲,其后紧跟一个扰相梯度来破坏所有残留的横向磁化矢量。在SPAMM预脉冲之后,即是标准的梯度回波电影成像序列,包括激励脉冲、层面选择梯度、相位编码梯度,以及回波读出梯度和信号采集。

图5,SPAMM脉冲心肌运动标记成像脉冲序列时序

在心肌运动标记电影成像中,标记梯度可施加在频率编码方向上,也可以施加在运动编码方向上,形成单一方向的条纹状网格(Stripe);如果在频率和相位编码上同时添加,则形成网格状的心肌标记(Grid)。另外,在心肌标记的强度方面,基于SPAMM技术上,使用二项式RF翻转角组合技术,如果使用两个相同大小的RF翻转角,则称为1-1 SPAMM,为了加重标记的强度,也有不同翻转角组合,比如1-2-1、1-3-3-1等SPAMM技术。另外,在图像采集使用的成像技术上,除了常规的FFE序列,也可以使用bFFE、EPI等。

心肌标记的技术除了上面介绍的SPAMM方法,实际上还有许多其他标记技术也在临床研究和实践中,包括CSPAMM,DANTE,HARP,DENSE或SENC技术,每种标记技术都有其各自的优势特点和应用特色,心肌运动功能分析,也有文献使用相位对比法技术,希望在以后有机会进行介绍。

【临床应用】

很多心肌疾病会引起心肌运动状态的变化,常规的心脏白血电影成像,可以很好地显示心肌的运动,对心脏全局性运动状态,比如在心动周期中,心肌厚度变化的测量,心脏收缩幅度的测量等,但完全基于形态学的影像学评估会带来误差,因此内源性心肌标记电影成像,可成为辅助分析局部心肌运动状态的成像方法。

心肌运动标记的分析,除了对标记后运动电影图像的主观观察,也需要用到诸多的后处理软件进行定量分析,只是大部分软件仍处于研究阶段,尚不能进行临床。文献上报道的分析软件包括Circle,FindTags,Diagosoft,GyroTools等。

【技术发展历史】

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