【基礎理論】造影劑增強磁共振血管成像

三維對比增強磁共振血管造影(3D CE-MRA)是通過靜脈內快速注射順磁性造影劑，利用造影劑在血管內較短暫的高濃度狀態形成明顯縮短血液T1弛豫時間現象，同時配合三維快速梯度回波脈衝序列的短TR效應有效地抑制周圍背景組織的信號，形成血管信號明顯增高而周圍靜態組織信號明顯受抑制的強烈對比效果。

這一章我們將重點討論3D CE-MRA成像技術中最重要的三個部分:

造影劑技術。 這是3D CE-MRA掃描的前提條件。

脈衝序列參數的選擇及優化。 這是3D CE-MRA掃描的基本要求。

確定何時開始觸發掃描。這是3D CE-MRA掃描成功的關鍵因素。

最常用的MR造影劑為釓的螯和物Gd-DTPA，該物質為小分子顆粒，靜脈快速團注於血管後短時間內集中於血管腔內，隨後逐步從毛細血管漏出進入細胞外間隙，最後經腎臟排出體外。該造影劑主要由釓(Gd) 產生強化效應。我們都知道大部分元素的電子都是成對的，磁矩相互抵消。而Gd+++有7個不成對電子，比其他任何元素都多。一個不成對電子的磁矩很大，是一個質子的657倍。弛豫率與磁矩的平方成正比，因此，Gd的7個不成對電子弛豫較一個單獨的質子快106倍。它在人血漿中的T1弛豫率約為4.5/mMol.sec，可明顯縮短自旋質子的T1弛豫時間。新型的商用MR造影劑具有更高的弛豫率, 可高達9.7/mMol.sec。

血池造影劑為新型血管內造影劑，這些造影劑分子足夠大或注射到血管後與其他大分子結合，不漏出毛細血管滯留在血管內，因此可以使用更小劑量的造影劑且在血管內的半衰期更長，可以獲得更高解析度圖像或不同部位血管圖像。但此種類型的造影劑應用還並不十分廣泛。

3D CE-MRA最基本的要求是注射的順磁性造影劑量要足以使動脈血液的T1值低於周圍組織的T1值，這樣動脈血才能比周圍所有組織信號強度高。T1值最短的背景組織是脂肪，在1.5T機器上約為270ms，由此可見造影劑的最小注射劑量應當使血液的T1值低於270ms。

從圖像質量角度來說，通常是造影劑使用量愈大，圖像質量愈好。但考慮其安全性、實用性及性價比等因素，大多數學者建議造影劑Gd-DTPA的使用劑量為0.2毫摩爾/公斤體重(0.2mMol/Kg)，也就是說常規體重的患者大約用量約為30毫升左右。Martin Prince等證實用現代的高梯度性能的MR系統，造影劑量甚至可縮減到0.1mMol/Kg以下亦可能獲得高質量的血管圖像！（圖1）

但必須注意，在某些特定的情形下造影劑用量可能要做適當的修改。心血管病患者需要更多的造影劑才能更好地顯示動脈粥樣硬化和狹窄等血管病變的細節。高解析度掃描也需要加大造影劑量。高質量的門靜脈造影圖像亦要求更大劑量的造影劑。超快速掃描或使用特殊脈衝序列時允許適當降低造影劑用量。

動脈血的Gd濃度還與靜脈內注射速度和心排出量有直接關係。（動脈血Gd濃度=注射速度/心排出量）這表明可以通過增加注射速度或減低心排出量來增加動脈Gd的濃度。大多數學者建議造影劑Gd-DTPA的注射速度為1.5-2.5毫升/秒。

屏氣是獲得胸、腹部3D CE-MRA最佳圖像質量的基本要求。目前絕大多數3D CE-MRA掃描都可以在一次屏氣內完成。通常來說，造影劑注射持續時間應該至少維持一半掃描時間，最好維持2/3的掃描時間。當然全下肢血管造影需要維持更長的造影劑注射時間，一般要維持50秒鐘左右。

由於血管內血液的流動特性，決定了理想的CE-MRA掃描序列應當是成像速度快，時間解析度高，能在短時間內分別獲得不同時相的血管強化信息，同時要求含造影劑血液與背景組織有良好的對比及足夠的空間解析度，目前各廠家用的最多的3D CE-MRA成像序列為三維快速梯度回波脈衝序列。為了獲得最短的掃描時間，最佳的對比噪聲比及適宜的空間解析度，我們可以通過調整以下參數來使圖像達到最佳。

應該使用儘可能短的時間，來減小失相位及T2*信號衰減.這要求回波時間短於3ms。另外選擇回波時間(2.3 ms左右)處於水脂反相位有助於抑制脂肪的信號而增加血管與組織的對比。回波時間縮短還可以縮短重複時間，進一步減少流動偽影及磁化率偽影。短回波時間對肺動脈成像特別有好處，可以抑制空氣與組織交界面之間的磁化率偽影。

縮短重複時間將直接縮短掃描時間，同時由於縮短了掃描時間，可以更快地注射造影劑使得造影劑在血管內濃度提高，補償縮短重複時間引起的信噪比降低。總之，在不增加接收帶寬的情況下，應使用儘可能短的重複時間，一般可縮短到6ms以下。使用最短重複時間的優化脈衝序列可以屏一次氣即完成三維數據採集。縮短重複時間還可造成背景組織明顯抑制，增加了血管與周圍組織的對比噪聲比。

在梯度回波序列中，翻轉角的大小影響著不同T1值組織的對比。30°~50°範圍內的翻轉角使含有造影劑的血液與靜態組織的T1值差別較大，因而可獲得良好的對比。45°翻轉角是最被廣泛使用的。靜脈期成像時可將翻轉角減到30°有助於補償造影劑稀釋造成T1弛豫時間縮短的減少。然而小翻轉角使得圖像的對比度降低。如採用小劑量造影劑、短TR<5ms的成像技術，翻轉角適於較小；假如使用大劑量造影劑和長TR時間的成像技術，則較大的翻轉角可能更合適。

調整接收帶寬是調整重複時間，回波時間和信噪比的主要手段之一。增加接收帶寬可以縮短快速掃描序列的TE和TR，但會顯著降低信噪比。另一方面，將帶寬縮窄可以提高信噪比，但會延長TE和TR，導致掃描時間延長。窄帶寬還會增加化學位移偽影程度。應保證TE時間不超過2ms的前提下儘量縮窄接收帶寬。

2.5 採集矩陣 (MATRIX) 和零填充插值技術 (ZIP)

掃描採集矩陣的大小決定脈衝序列中相位編碼梯度的步數及頻率編碼梯度的步數即數據的採樣點數。當FOV一定時，矩陣越大，體素的尺寸就越小，圖像的空間解析度也就越高，顯示細小血管的能力也就越強越清晰！但我們要知道，每一個相位編碼步都需要一個TR周期來完成，因此用增加相位編碼步來提高圖像空間解析度時，總是以延長掃描時間為代價的。同時空間解析度的提高即體素的變小都會引起SNR的降低。

層內零填充插值技術就是在重建圖像前，在K-空間周圍部分填零擴展K-空間。此時顯示矩陣明顯高於採集矩陣，可以顯著改善重建圖像的空間解析度，而且不影響圖像的SNR和掃描時間。層間零填充插值技術會在每相鄰的兩層內各取50%層厚的信息重建出一層，這樣一來，層數將增加一倍且相互重疊，可以顯著改善重建圖像及MIP的質量，特別是改善斜面重建圖像的質量，還可以減少部分容積效應引起的偽影。

我們都知道，水和脂肪的進動頻率相差3.5ppm，脂肪抑制技術就是利用這個進動頻率的差異，通過預先設置的射頻脈衝選擇性激勵水或選擇性抑制脂肪信號來獲得脂肪抑制圖像。脂肪信號的下降將顯著降低血管周圍背景組織信號，使得血管的顯示更加清晰，尤其有利於小血管的顯示。

對那些沒有物理學背景的人員來說，MRI中最另人困惑的概念就是K-空間。其實，MR圖像的所有特點都可以在K-空間內得到合理解釋。在這裡我們可以把K-空間這個假想的數學空間簡單地理解為傅立葉變換的頻率空間，計算機把掃描採集所得的原始數據填入K-空間，再對K-空間的數據進行一次傅立葉逆變換就可以得到所需的圖像。值得注意的是，K-空間中心數據對圖像的信號和組織對比度貢獻最大，而K-空間的邊緣數據僅決定圖像的解析度。（圖2）說明了K-空間數據對圖像的影響。

圖2

同時， K-空間的填充方式對血管圖像對比度及圖像質量也有著舉足輕重的影響。我們知道，K-空間有多種填充方式：線性填充；螺旋填充；放射填充等等。而線性填充又是最常用的一種，現在就結合圖示重點討論一下線性填充K-空間的方式：順序填充、中心填充和橢圓形中心填充。

順序填充是最基本的標準K-空間填充方式。無論是層面選擇方向還是相位編碼方向，原始數據都是先填K-空間外圍，再填K-空間中心。這就要求我們在採集數據時，必須準確計算造影劑到達感興趣血管的時間，並提前開始掃描，以便可以把高濃度的動脈圖像數據填入對圖像對比度影響最大的K-空間中心。對於象上面這樣41秒鐘的檢查，大約需要26秒的時間來完成K-空間中心區的掃描。這麼長的掃描時間很難保證完全沒有靜脈血管信息的汙染。

 

中心填充是另外一種K-空間填充方式。在層面選擇方向，原始數據是先填K-空間外圍，再填K-空間中心；而在相位編碼方向，原始數據是先填K-空間中心，再填K-空間外圍。這樣一來，我們就可以把造影劑最高濃度的時相在掃描一開始即準確填入對圖像對比度影響最大的K-空間中心，大大增加了對動脈期的把握性，而且只用14秒就可完成K-空間中心區的掃描。

橢圓形中心填充是最高級的K-空間填充方式，比中心填充方式更勝一籌。它無論是在層面選擇方向還是在相位編碼方向，原始數據都是先填K-空間中心，再填K-空間外圍。這就使得我們可以在掃描一開始在極短的時間內獲得填入K-空間中心的高濃度的動脈期圖像數據，然後採集相對較長的時間來獲得K-空間外圍的數據用以增加圖像的空間解析度，僅僅用4秒鐘的時間即可完成K-空間中心區的掃描，絕無任何靜脈汙染！ 但由於填入K-空間中心的數據採集時間非常非常短，這無疑要求我們必須獲得準確的動脈期圖像數據才能夠保證高質量的動脈血管造影！

平行採集技術是一種快速磁共振成像重建技術。它利用接收線圈的空間敏感度來編碼空間信息並重建圖像，獲得比傳統磁共振梯度編碼更快的掃描速度。   

物體產生的磁共振信號在其附近的接收線圈內誘導產生的電壓與其相對應的空間位置密切相關，這種因空間位置而帶來的信號強度差異稱之為線圈的敏感度。利用接收線圈的這種特性可以確定信號源的空間位置並用於圖像重建。線圈的敏感度編碼類似於K-空間的梯度編碼，與梯度編碼不同的是，敏感度是接收線圈的屬性，與被檢測物體的狀態無關，敏感度編碼技術允許多個接收線圈同時進行獨立的採樣編碼。因此，並行操作多個獨立的表面接收線圈同時進行各自信號採集，可以顯著地減少掃描時間。隨之而來的缺點就是SNR的降低。由於大劑量的團注造影劑可彌補平行採集技術所帶來的SNR降低的缺撼，且顯著縮短掃描時間，因此是一項非常有價值的技術！

前面我們已討論過K-空間中心與圖像對比度的關係。我們必須把造影劑在血管內短暫的高濃度狀態的影像數據準確填入對圖像的信號和組織對比度貢獻最大的K-空間中心，才能夠準確得到所需的動脈期血管圖像。適當的K-空間外圍數據可以幫助提高圖像的細節顯示即增加圖像的空間解析度。

因此，任何3D CE-MRA的造影劑團注觸發掃描階段無疑是檢查成功的關鍵，任何提前或落後觸發的不合適的掃描開始，將造成動脈填充不完全，圖像產生偽影或在動脈期內產生靜脈汙染，從而導致檢查失敗。以下將介紹幾種方法來實現準確掃描觸發時間的確定。

說通俗點兒就是根據經驗猜測造影劑的峰值到達時間，簡單實用，而且大多數病例可以獲得較滿意的效果。但也有研究證實大約有30%的病例不能獲得最優化的圖像質量，甚至不能完成診斷。尤其對於頸動脈，肺動脈等回流較快的血管成像效果不理想。因此象MR這樣昂貴的檢查，這麼高比例的不成功率是絕對不可以接受的。猜不應該成為主要的方法-畢竟這是科學！

手動觸發即由操作者人工決定造影劑到達時間和啟動3D掃描，該技術還可進一步分為預先確定掃描觸發時間的團注試驗法和基於實時造影劑到達信息的透視觸發法。

3.2.1 團注試驗法 (Bolus Test)

團注試驗法也是一個廣泛使用的方法之一。可以在任意一臺MR機器上掃描任意人的任意部位，對機器及操作者無須任何額外要求。她是指在3D CE-MRA掃描前先從靜脈注射2ml Gd-DTPA及20ml生理鹽水，並在注射造影劑的同時在感興趣血管區啟動快速2D梯度回波序列連續單層動態採集約1分鐘左右，然後通過測定感興趣血管內連續的信號強度變化來確定到達峰值的時間,即為造影劑到達時間。團注試驗法當使用正確時被證實是可信賴的，但是在所有觸發技術中它顯然是最複雜耗時的，而且由於需要計算掃描觸發時間，大大降低了操作者同時完成多項任務的能力。

掃描觸發時間的計算依賴於3D掃描的K空間填充方式,對於線性填充來說：

掃描觸發時間=造影劑到達時間+掃描時間/2-注射時間/2

現在一般均採用中心填充或橢圓形中心填充，即直接在造影劑到達時間時啟動掃描，這樣就可以保證造影劑在動脈內的高峰被填充在K空間的中心,從而獲得最佳的動脈時相。

3.3.2 透視觸發法 (Fluoro Trigger)

透視觸發由美國Mayo Clinic的研究人員首先提出，她是利用實時觀察團注的造影劑到達的時間信息來手動啟動3D掃描。這項技術依賴於單層二維圖像的實時採集和顯示，所以當造影劑團進入到感興趣區時，它可以被實時顯示，操作者可以基於造影劑的顯示來控制系統停止2D透視掃描而手動啟動3D CE-MRA掃描,這時採集的數據將被填入K-空間中心。

值得注意的是從2D透視掃描過渡到3D CE-MRA掃描的計劃性延遲時間也是影響圖像質量的重要因素！因為當掃描區域是造影劑快速通過動脈而回流於靜脈且不需要控制呼吸時（如頸動脈），觸發過渡時間應是「即刻」的，這樣才能有效減少靜脈汙染；而當掃描區域是需要控制呼吸運動時（如胸/腹），在 3D掃描開始前應有一段延遲時間來指導病人屏氣來使掃描最優化，否則呼吸運動將會嚴重影響K-空間中心的數據。    

Smart Prep是目前市場上唯一一種完全由系統自動確定造影劑到達時間和啟動3D掃描的自動觸發掃描技術。在這項掃描技術中操作者唯一需要作的是在系統提示注射造影劑時注入造影劑和探測到造影劑時指示病人屏氣。

Smart Prep軟體需要操作者事先確定一個精確的感興趣區（TRACKER）, 掃描開始後系統會先採集此感興趣區的基線數據來產生一個相對「正常」的SNR水平，從而自動確定觸發掃描的閾值（基線SNR水平上升3個標準差+20%）。然後系統會在提示操作者注射造影劑的同時進入到監視期，隨著團注造影劑的到來，當感興趣區的SNR超過系統設定的閾值時，系統就會自動地轉換到3D掃描期並從K-空間中心開始填充數據。毫無疑問地我們將會得到準確的動脈期血管造影圖像！在這裡我們也可以人為設定一個計劃性延遲時間來最大程度地滿足不同掃描部位的需要！

如果沒有接收到造影劑到達的觸發信息，自動觸發技術還可以在監視期結束後自動觸發掃描。最常見的錯誤是預設的監視期太短導至失敗的觸發。如果此時間接近真正的到達時間，那麼圖像質量是應當足夠好的。

雖然沒有數據表明，但大家都認為透視觸發技術比自動觸發技術可信度更高。觀察者發現如果操作者一直注視感興趣血管，他們將很少錯過造影劑的到達，而不會象在自動觸發技術中由於錯誤地放置了示蹤區的位置而導致檢查失敗。儘管這聽起來是符合邏輯的，但這兩種技術都有著同樣的錯誤模式，操作者必須正確描述示蹤/透視掃描平面，因為運動有可能造成錯誤的示蹤/透視平面。透視觸發還可以使操作者把正常的流入效應誤當作造影劑到達，從而提前觸發了3D掃描。如果使用得當，這兩種技術都是很有效的方法。

TRICKS ( Time Resolved Imaging Contrast KineticS ) 是由美國 University of Wisconsin和GE公司合作開發的用於超快速多時相MR血管造影的最新成像技術。她更是一種完全自動化的掃描軟體，無需判斷造影劑到達峰值時間,只需你在注入造影劑的同時啟動3D CE-MRA掃描，剩下的一切你就交給機器吧！不但可以獲得無任何靜脈汙染的準確動脈時相，更可以獲得以前只有導管法X線血管造影才能觀察到的血流的動態變化，是名副其實的MR-DSA！

TRICKS軟體史無前例地把K-空間由內到外分為A,B,C,D 四個部分，然後智能化地按著ABACAD 的模式循環採集並利用橢圓K-空間中心的填充模式來填充K-空間 ，這樣一來，K-空間中心數據A將每兩個部分採集一次以保證提供最快最準確的時間解析度，實時更新的BCD部分將會協助提供最完整最可靠的動態信息，而不是單純地把背景圖像的BCD部分重複使用。數據分享和插值技術更可以使重建圖像的時間解析度提高一倍，在不利用其他任何軟體技術的情況下可達到3.5秒/時相的時間解析度！ 再加上高效的智能化自動減影便可以成功獲得優異的同時兼顧空間解析度和時間解析度的血管造影圖像！所以我們說TRICKS可以完全克服周圍血管成像不能同時獲得高空間解析度和高時間解析度的難點, 更適用於象糖尿病這種早期靜脈回流風險較高的病人, 高效的智能化自動減影還可以使一次檢查多次造影成為可能。

 

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