TOFMRA--时间飞跃法血管成像解决方案——基本原理篇

TOFMRA--时间飞跃法⾎管成像解决⽅案——基本原理篇亮⾎⾎管成像是⼀类⾎流信号表现为⾼信号的⾮对⽐剂增强⾎管成像技术。其中⽐较典型的代表有TOF MRA、IFIR、PC MRA等。之所以称之为亮⾎是与⿊⾎成像相对⽐⽽⾔。必须强调的⼀点是这⾥的亮⾎或⿊⾎指的是⾎流本⾝的信号⾼低，⽽不是通过后处理或窗位改变实现的。本⽂我们先讨论TOF MRA⾎管成像。时间飞跃法⾎管成像TOF MRA:这是在头颈部最常⽤的⾮对⽐剂增强⾎管成像技术。TOF MRA具有扫描相对快、使⽤⽅便⽽⼜⽆创等特点，这⾥想从该技术成像原理以及所涉及的⼏个特殊参数予以讲解，了解这些对于解读TOF MRA的图像以及做出正确的诊断、鉴别诊断都⾄关重要。图⽚说明：⾎流状态⽰意图。理想状态下⾎管内的⾎流呈层流模式，中⼼层⾯流速最快，靠近管壁处⾎流速度变慢，流速分布呈抛物线型。在⾎管狭窄或分叉处⾎流状态发⽣改变，此时伴有湍流和涡流出现。在TOF MRA这种状态的⾎流会导致信号丢失。TOF MRA的成像原理：TOF MRA是利⽤新鲜⾎液的流⼊效应来进⾏的磁共振⾎流成像。虽然通常称之为⾎管成像，但更准确的说应该是磁共振⾎流成像。在TOF MRA之所以能够提供相应的⾎流信息，从本质上讲是利⽤了流动的⾎液和静⽌组织在快速射频激励过程中的不同反应进⾏成像。图⽚说明：TOF MRA所依赖的成像序列是梯度回波序列，这⾥除了利⽤快速射频激励等所导致的背景抑制也利⽤了梯度回波序列的流⼊增强效应。因为梯度回波序列在利⽤梯度场极性反转进⾏回波读取过程中不施加选层梯度，所以梯度回波序列和FSE序列⼀个重要区别是梯度回波具有流⼊增强效应，⽽SE序列家族则具有流空效应。TOF MRA实现背景抑制的机制：在TOF MRA成像过程中系统通过快速重复的射频激励使得静⽌组织达到饱和状态。在磁共振成像过程中所能获得的某种组织的信号强度取决于该组织在射频激励时刻组织所具有的瞬间纵向磁化⽮量。由于TOF MRA成像时TR通常很短，所以在经历过⼀连串的快速射频激励后静⽌组织达到了饱和状态（TR较短被激励的组织⽆法完成纵向弛豫），这样这些静⽌组织的信号就很低；⽽对于成像区域内的⾎管内⾎液⽽⾔，因为这些⾎液理想状态下是从成像区域范围外流⼊到成像区域内的，它们没有经历过前序的射频脉冲激发，因此每⼀次射频激发这些新鲜的流⼊⾎液都能够贡献出更多的信号。这样在⾎流和背景静⽌组织之间就形成了⾜够的⾎流对⽐。现在要解释的问题是：如何能够获得最⼤化的⾎流与背景组织之间的对⽐？这中间起决定性作⽤的因素有以下⼏个⽅⾯：其，⾎流本⾝状态：为什么在⽇常⼯作中TOF MRA⾎管成像在⾎流⽅向复杂的区域或⾎流速度慢的区域会导致相应的⾎流信息丢失？⽽这些⾎流信息的丢失要么使得狭窄被夸⼤，要么使得畸形⾎管团或⼩动脉瘤等⽆法准确显⽰？这⾥我们借助上⾯的⽰意图进⾏说明。通常情况下理想的⾎流应该呈层流状态，这样的流动⾎液也被称为⽜顿流体。如果我们成像的区域不是过分的⼤，那么在每⼀次射频激励前上⼀次被激励的⾎液会完全流出成像区域，⽽在射频激励期间成像区域内都是新流⼊进来的新鲜⾎液。在这种情况下我们就可以获得最优异的⾎流—背景组织之间的对⽐。但是，当因为某种原因（⽣理状态或病理状态下）出现了⾎管狭窄或⾎流⽅向变化如颈动脉分叉或颈内动脉虹吸部复杂的⾛⾏⽅向都会使得理想状态的⾎流状态被破坏，突然的狭窄和⾎流⽅向变化会导致湍流和涡流出现，这些过快的⾎流会导致信号相位发散，⽽呈现涡流状态的⾎液却不能及时流出成像区域，这两种机制或者导致信号发散丢失，或者⾎流不同程度的被饱和，最后都会导致⾎流信号丢失。如果因为某种原因导致⾎流速度过慢如⾎栓形成、或⾎液黏稠度过⾼同样也会导致⾎流被饱和，这是⾎流速度慢、⾎流⽅向复杂也常见于脑⾎管畸形或某⼤⾎管狭窄后代偿的侧⽀⾎管。由此可见，TOF MRA这种独特的成像机制使得它对⾎流状态具有⾼度的依赖性，这也是TOF MRA被称为磁共振⾎流成像的内在原因。其，成像⽅式和参数：⾎液流动是⼀种物理现象，理解TOF MRA⾎流显⽰效果最简单的⽅法也是回归到物理思维中。对于TOF MRA等依赖⾎流成像的⾎管成像技术，我觉得我们时刻要考虑的三个关联因素是：速度、时间和位移。这⾥的速度就是⾎流的速度，不过要牢记速度是个⽮量，它不仅有⼤⼩还有⽅向。这⾥的时间就是TOF MRA成像过程中两次射频激励之间的间隔时间，或者说就是我们参数中的TR时间。有了速度和时间我们就可以计算出位移了。理想的位移是多少？就是我们TOF MRA每次射频脉冲激发的成像范围，如果我们选择的范围越⼤显然就需要⾎流速度越快或者TR时间更长，⽽更长的TR时间显然不利于背景组织的饱和。接下来我们要问问⾃⼰：如何实现速度、时间和位移的完美统⼀？图⽚说明：在TOF MRA成像过程中很多因素会影响背景抑制以及⾎流与背景组织之间的对⽐。TR越短则快速重复射频激励的次数越多，这导致组织背景抑制更彻底，但过快的射频激励也会导致⼩⾎管内慢⾎流因为快速射频激励作⽤⽽发⽣饱和现象，因此不利于⼩⾎管分⽀的显⽰；TR过长则背景组织会发⽣⼀定程度的弛豫。图⽚说明：正常志愿者显⽰颈内动脉在⾎流⽅向复杂的区域如⾎管转弯处及虹吸部⾎流信号明显减弱。中间图为双侧椎动脉动脉瘤介⼊治疗后显⽰⾎流信号中断，未见明确残存动脉瘤瘤颈。右图显⽰⾎流⽅向变化区域颈内动脉颅内段、虹吸部⾎流信号明显减弱右侧颈内动脉虹吸部⾎流信号变细，提⽰⾎管狭窄但⽆法明确狭窄程度。