【MRI基础】TR 和 TE 时间概念

【MRI基础】TR 和 TE 时间概念

磁共振成像（MRI）是现代医学影像学中的一项重要技术，通过利用磁场和射频脉冲与人体内氢原子核的相互作用，生成高分辨率的内部组织图像。在MRI技术中，重复时间（TR）和回波时间（TE）是两个关键参数，它们直接影响着图像的对比度和信号特性。本文将深入探讨TR和TE的物理机制、对图像质量的影响以及在不同成像模式中的应用。

重复时间（TR）

磁共振成像（MRI）中的TR（重复时间，repetition time）是施加于同一切片的连续脉冲序列之间的时间间隔。具体而言，TR是施加一个RF（射频）脉冲与施加下一个RF脉冲之间的持续时间。TR以毫秒（ms）为单位，主要控制后续脉冲之前的纵向弛豫程度（T1弛豫），使其成为显著影响MRI中的图像对比度和信号特性的重要参数。

回波时间（TE）

MRI中的回波时间（TE，echo time）是RF脉冲的传送和接收到的信号（回波）峰值之间的时间。TE也以毫秒（ms）为单位进行测量。它主要影响测量回波时发生的横向松弛量（T2松弛）。TE在根据松弛特性区分各种组织类型方面发挥着重要作用。这里以gradient echo sequence（GRE）为例。

TR和TE的物理机制

MRI中TR和TE背后的物理原理涉及磁场、RF脉冲和体内氢原子核（质子）之间的相互作用。以下是详细分析：

磁场和质子的排列

• 主磁场（B0）：当患者被置于MRI扫描仪中时，他们会暴露在强大的静磁场（B0）中。该磁场导致体内氢核（质子）的磁矩与磁场平行或反向平行。这些质子中的大多数平行排列，从而导致磁场方向的净磁化矢量（M0）。

射频脉冲和激励

• RF脉冲：拉莫尔频率（特定于磁场强度和原子核类型）的射频脉冲垂直于主磁场施加。该RF脉冲使净磁化矢量从纵向（沿B0）倾斜到横向平面。
• 翻转角：磁化矢量倾斜的角度称为翻转角（例如，完全翻转到横向平面为90度）。

松弛过程

• T1弛豫（纵向弛豫）：关闭RF脉冲后，磁化矢量开始沿B0场弛豫回到其平衡位置。这种恢复以T1弛豫时间为特征，即纵向磁化恢复63%的时间常数。
• T2弛豫（横向弛豫）：同时，由于邻近自旋之间的相互作用，磁化矢量的横向分量发生失相，其特征是T2弛豫时间，即横向磁化衰减63%的时间常数。

重复时间（TR）

• TR的定义：TR是施加一个RF脉冲与施加下一个RF脉冲之间的时间。它会影响在施加下一个RF脉冲之前纵向磁化恢复的程度。
• 短TR：TR较短时，纵向磁化恢复不完全，导致饱和并影响图像对比度，尤其是增强T1对比度。
• 长TR：通过长TR，纵向磁化几乎可以完全恢复，从而最大限度地减少饱和效应并增强T2对比度。

回波时间（TE）

• TE的定义：TE是施加RF脉冲和接收线圈检测到信号（回波）峰值之间的时间。它决定了在松弛过程中测量信号的时间。
• 短TE：短TE在相位失调最小时尽早捕获信号，这对于T1加权成像非常重要。
• 长TE：长TE在发生更多失相时稍后捕获信号，这对于T2加权成像非常重要。

TR和TE对图像对比度的影响

T1加权成像

短TR和短TE值增强了T1加权对比度，使得具有短T1弛豫时间的组织（例如脂肪）显得明亮，而具有较长T1时间的组织（例如液体）显得暗淡。

T2加权成像

较长的TR和TE值可产生T2加权图像，其中具有较长T2弛豫时间的组织（例如液体）显得明亮。较长的TR可确保完全纵向弛豫，而较长的TE可使T2对比度有足够的横向失相。

质子密度加权成像

中等TR和短TE值用于产生质子密度加权图像，强调质子密度的差异，同时最小化T1和T2对比效应。

T2加权MRI图像中重复时间（TR）的影响

低TR（1000毫秒）：

• 导致信噪比相对较低，从而产生较多噪声的图像。
• T2对比度并不理想，因为组织信号没有足够的时间在连续的激发之间恢复，从而降低了不同组织类型之间的区别。组织之间的CNR不好。

中等TR（2000毫秒）：

• 提供中等SNR，与较低的TR设置相比可提高图像质量。
• 提供比低TR更好的T2对比度，但可能仍然不是清晰区分所有组织类型的最佳选择。

最佳TR（3000-4000毫秒）：

• 最适合最大化T2对比度，可以更清晰地区分不同的组织。
• 由于组织在激发之间有充足的时间放松和恢复信号，因此更高的SNR可以产生更清晰、更详细的图像。

高TR（10000毫秒）：

• 可产生非常高的信噪比，以最小的噪声产生最清晰的图像。组织之间的CNR最好。
• 虽然对于SNR来说非常好，但是极长的TR会导致扫描时间延长，使患者不舒服，还会在成像中引入运动伪影。

回波时间（TE）对T2加权MRI图像的影响

低TE（15-25毫秒）：

• 产生质子密度（PD）对比度：在这个短TE中，图像具有最小的T2加权，强调质子密度对比度，其中信号强度与组织中的氢质子数量更相关。
• 信噪比（SNR）：由于信号衰减最小，因此SNR较高，可以从组织中捕获强信号。

中等TE（50-60毫秒）：

• 图像对比度：开始显示增加的T2加权，其中具有较长T2弛豫时间的组织（如充满液体的结构）显得更亮。
• SNR影响：中等SNR；由于T2衰减会导致一些信号损失，与低TE相比，这会降低图像清晰度。

最佳TE（100-110毫秒）：

• 图像对比度：最佳地增强T2对比度，使其非常适合检测水肿和神经胶质增生等具有延长T2弛豫时间的病理。
• SNR影响：足够的T2对比度和可接受的SNR之间取得良好的平衡，尽管一些信号衰减是不可避免的。

高TE（200-400毫秒）：

• 增加T2加权：进一步强调T2对比度，但代价是组织放松速度加快导致信号衰减增加。
• SNR：由于信号衰减明显导致SNR降低，从而降低了整体图像的清晰度和细节。
• 降低组织对比度：高TE会降低T2弛豫时间略有不同的组织之间的区分，从而可能掩盖精细细节。

T1加权MRI图像中重复时间（TR）的影响

低TR（150毫秒）：

在T1加权成像中使用低TR会导致SNR降低，因为组织没有足够的时间完全恢复其纵向磁化。这会导致整体信号强度较弱，并且不同组织之间的T1对比度区分效果较差。

中等TR（250毫秒）：

在中等TR设置下，与极低TR相比，SNR略有改善。组织有更多时间进行磁化恢复，这可以增强信号强度，但仍然无法为T1加权图像提供最佳对比度。

最佳TR（300-500毫秒）：

此TR范围被认为是T1加权成像的理想范围。它能够在SNR和组织对比度之间实现良好的平衡。组织恢复足够的纵向磁化以产生强信号，从而有助于更好地区分不同组织类型的T1特性。

高TR（2000毫秒）：

高TR会大幅提高SNR，因为组织几乎完全恢复了其纵向磁化，从而使信号强度最大化。然而，在如此高的TR值下，图像不仅会增强T1，还会增强质子密度（PD）对比度。这种混合对比度可能很有用，但可能会掩盖纯T1对比度效果。

参考文献

• Pai, A., Shetty, R., Hodis, B. and Chowdhury, Y.S. (2023) ‘Magnetic Resonance Imaging Physics’, StatPearls [Internet]. Available at: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK572133/
• Alzola-Aldamizetxebarria, S., Fernández-Méndez, L., Padro, D., Ruíz-Cabello, J. and Ramos-Cabrer, P., 2022. A Comprehensive Introduction to Magnetic Resonance Imaging Relaxometry and Contrast Agents. ACS Omega, [online] 7(42), pp.36905-36917. Available at: A ComprehensiveIntroduction to Magnetic Resonance Imaging Relaxometryand Contrast Agents - PMC