2018, Vol. 35 
2. 上海联影医疗科技有限公司, 上海 201807
2. Shanghai United Imaging Healthcare Cooperation, Shanghai 201807, China
黑血序列作为磁共振血管造影技术和血管壁成像技术[1]的核心，通过有效抑制流动中的血液信号，以准确识别血管的形态、管腔的结构以及管壁的成分.近年来，研究人员提出了多种黑血技术，如运动敏感驱动平衡准备脉冲(Motion-Sensitized Driven-Equilibrium，MSDE)[2, 3]、反转恢复序列(T2-Prepared Inversion Recovery，T2IR)[4]、流动敏感黑血(Flow-Sensitive Black-Blood，FSBB)序列[5]等.
变延迟进动定制激发(Delays Alternating with Nutation for Tailored Excitation，DANTE)序列作为黑血技术的一种，对于B0和B1场的不均匀性都不敏感[6].另外，DANTE序列对于慢流速的信号(如脑脊液)也有较好的抑制效果，因此也被应用到颅内血管壁成像[7]以及颈部脊髓成像[8]等.DANTE序列通过连续施加小角度激发脉冲结合散相梯度来进行血流的抑制，对于梯度的要求较高.
本文为使得DANTE序列发挥最大的黑血效果，通过仿真实验和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging, MRI)实验，对其影响因素进行了分析和验证，最后对梯度进行了优化设计和评估.
1 实验部分 1.1 DANTE序列原理图 1展示了DANTE序列模块的基本时序，一个DANTE序列模块由Np个小单元构成[6]，每个小单元包括翻转角(Flip Angle, FA)为α的射频(Radio Frequency, RF)脉冲紧跟一个幅值为G的梯度.
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图 1 DANTE序列模块.DANTE序列使用的脉冲为非选择性的激发射频脉冲，翻转角(FA)大小为α(一般取3°~15°)，射频脉冲持续时间pw为60 μs.G代表梯度幅值，tD为DANTE序列小单元的持续时间，NptD为DANTE序列模块的总时长 Figure 1 DANTE sequence module. The pulse used by DANTE sequence is a non-selective excitation RF pulse with a flip angle (FA)=α (typically 3°~15°) and a pulse duration (pw)=60 μs. G represents the gradient magnitude, tD is the DANTE sequence block duration, NptD is the total duration of the DANTE sequence module |
DANTE序列的基本原理是流动物质在施加梯度条件下相位关于时间呈二次累积[9]，而静态物质的相位关于时间是线性累积的，导致处于流动和静态的物质产生不同的稳态信号，从而达到抑制流动信号的作用.
| $ \Delta \varphi (n) = \gamma \int_{(n - 1){t_D}}^{n{t_D}} G (t')X(t'){\rm{d}}t' $ | (1) |
Δφ(n)代表的是(n-1)~n个脉冲之间的相位累积，X(t')代表t'时自旋质子的位置，γ为磁旋比.假设流动质子的流速为v，梯度幅度G保持不变，质子的初始位置X(0)=X0，则
| $ X(t') = {X_0} + vt' $ | (2) |
对于静态的质子(v = 0)，相位关于时间是线性累积的；而对于流动的质子，相位关于时间呈二次累积.
对于静态质子，经过n个脉冲之后，磁化矢量可以用旋转矩阵Rz、Rx和信号衰减矩阵E来表达.
| $ {M_n} = {R_z}(\theta )E({T_1}, {T_2}, {t_D}){R_x}(\alpha ){M_{n - 1}} + (1 - {E_1}){M_0} $ | (3) |
Mn表示第n个DANTE序列小单元结束后的磁化矢量，
根据Carr[10]提出的方法仿真得到Rz(θ)、Rx(α)和E：
| $ {R_z}(\theta ) = \left[ {\left. {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \theta }&{\sin \theta }&0\\ { - \sin \theta }&{\cos \theta }&0\\ 0&0&1 \end{array}} \right]} \right.\;\;\;\;{R_x}(\alpha ) = \left[ {\left. {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0\\ 0&{\cos \alpha }&{\sin \alpha }\\ 0&{ - \sin \alpha }&{\cos \alpha } \end{array}} \right]} \right.\;\;\;E = \left[ {\left. {\begin{array}{*{20}{c}} {{E_2}}&0&0\\ 0&{{E_2}}&0\\ 0&0&{{E_1}} \end{array}} \right]} \right. $ |
对于静态质子(v = 0)，在位置为r时
| $ \theta = \gamma Gr{t_D} $ | (4) |
对于动态质子(v ≠ 0)，磁化矢量的变化与静态质子一样都满足(3)式，其中相位角θ表示为：
| $ \theta = \gamma G(r{t_D} + \frac{{vt_D^2}}{2}) $ | (5) |
本文中的实验数据均使用上海联影医疗技术有限公司的3.0 T磁共振系统(uMR560)采集，进行了人体实验，人体实验均征得志愿者知情并签订告知书.实验使用的成像序列参数为：脉冲间隔重复时间(Repetition Time, TR)=800 ms，自旋回波时间(Echo Time, TE)=17.7 ms，成像视野(Field of View, FOV)=400×400 mm2，矩阵(matrix)=352×352×102，带宽(bandwidth)=500 Hz/pixel，层厚(thickness)=0.67 mm.另外，本文仿真实验环境为MATLAB R2013a.
1.3 实验设计 1.3.1 DANTE序列影响因素的数值仿真对DANTE序列进行分析，解释DANTE序列黑血的原理.通过数值仿真及实验，对DANTE序列黑血效果及静态信号保真的影响因素进行分析和验证.
DANTE序列原理图(图 1)展示了DANTE序列模块的基本时序，一个DANTE序列模块由Np个小单元(翻转角为α的射频脉冲紧跟一个幅值为G的梯度)构成[6].通过上述的模型，对DANTE序列进行了数值仿真.使用MATLAB对上述公式进行求解.
对于静态质子，T1取960 ms、T2取90 ms，DANTE序列的小单元个数Np在70~1 000范围内.一定梯度条件下，在等间隔位置出现的暗条纹如图 2所示.根据图 2暗条纹的信号特征，取信号衰减为原始信号的85%以下为暗纹.仿真不同G、tD和Np，研究暗条纹的宽度DS与它们之间的关系.
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图 2 使用DANTE序列时，静态组织的暗条纹图像.(a)变翻转角FSE 3D序列，TR = 800 ms，TE = 14.9 ms，FOV = 170×170 mm2，矩阵大小= 384×384×316，带宽=500 Hz/pixel，层厚=0.7 mm；(b)增加DANTE序列模块的序列，FA = 7°, Gx = Gy = Gz= 5 mT/m, Np = 70 Figure 2 The black strips images of static tissue using DANTE sequence. (a) Using a varied flip angle FSE 3D pulse sequence, TR=800 ms, TE=14.9 ms, FOV=170×170 mm2, matrix=384×384×316, band Hz/pixel, thickness=0.7 mm; (b) Using the pulse sequence including DANTE sequence module, FA = 7°, Gx = Gy = Gz= 5 mT/m, Np = 70 |
对于动态质子，T1取1 500 ms、T2取128 ms，以模拟血管中的流动血液.仿真不同G、tD和Np，研究血流抑制效果与它们之间的关系.
1.3.2 黑血效果的人体实验对DANTE序列的黑血效果进行人体实验，比较增加DANTE序列前后的血流抑制效果，成像序列参数见1.2节实验环境，另外比较因素Np对于黑血效果的影响.
1.3.3 梯度优化实验为保证DANTE序列有良好的黑血效果，保真静态组织的信号，需要最大限度利用梯度性能，增加梯度幅度，增加DANTE序列的持续时间.但在实际的序列设计中，受弛豫时间的限制[9]，DANTE序列的持续时间受限.为保证DANTE序列能够更好地抑制流动质子，在无法增大持续时间的情况下，必须加大梯度的幅度.然而在实际的工程的设计中，梯度受到梯度放大器(Gradient Amplifier, GPA)的限制，主要是电流有效值(RMS)、电流平均值(Average)以及平均功率(P)三个方面.
RMS由下式得到：
| $ RMS = \frac{{\sqrt {\int_0^T {I{{(t)}^2}{\rm{d}}t} } }}{T} $ | (6) |
Average由下式得到：
| $ Average = \frac{{\int_0^T {|I(t)|{\rm{d}}t} }}{T} $ | (7) |
(6) 式和(7)式中，I(t)为t时刻时的电流，电流大小与所施加的梯度大小成正比；T为序列总时间.
GPA的总平均功率P由三轴整合而成，参数a、b、c、d、e由功耗实验测量得到.
| $ P = aRMS_x^2 + bRMS_y^2 + cRMS_z^2 + 3d + e(Averag{e_x} + Averag{e_y} + Averag{e_z}) $ | (8) |
目前实验环境中，GPA在不同时间窗中对于RMS、Average以及P有相应的限额：当前DANTE序列梯度对于RMS以及Average的限额能够满足，而P在180 ms时间窗内很容易超限.
(ⅰ)读出方向的梯度优化设计
变翻转角FSE 3D序列对读出方向上的流动信号具有较好的抑制作用，因此将读出方向上的梯度分配到其他两个方向上，有利于序列抑制血流效果的提升，优化目标为：
| $ \begin{array}{l} \max {\rm{abs}}({G_{{\rm{SS}}}}) + {\mathop{\rm abs}\nolimits} ({G_{{\rm{PE}}}})\\ {\rm{s}}{\rm{.t}}{\rm{. }}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;P < {P_{{\rm{limit}}}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;RMS < RM{S_{{\rm{limit}}}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;a < {\rm{abs}}({G_{{\rm{RO}}}}) < b \end{array} $ | (9) |
(9) 式中GRO、GSS、GPE分别为读出方向、选层方向以及相位编码方向上的梯度；Plimit为GPA的P限额；RMSlimit为RMS限额；a、b为读出方向上梯度取值的上下限，一般取较小值，a=0、b=6.
根据上述优化条件，对读出方向进行梯度优化，而后进行人体实验，比较优化前后的DANTE序列黑血效果.
(ⅱ)片层旋转的梯度优化设计
在进行MRI扫描检查时，医生会根据病人的体位，对片层进行相应的旋转.为保证梯度能够发挥最大的性能，在GPA功耗不超限的情况下，对实际物理坐标下的施加梯度进行优化.片层方向根据需求旋转后，物理坐标下的梯度会根据片层的旋转按照三维旋转坐标变换到图像的梯度上.
| $ {G_i} = R{G_p} $ | (10) |
其中，
| $ R = \left[ {\left. {\begin{array}{*{20}{c}} 1&0&0\\ 0&{\cos \beta }&{ - \sin \beta }\\ 0&{\sin \beta }&{\cos \beta } \end{array}} \right]} \right.\left[ {\left. {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \alpha }&0&{\sin \alpha }\\ 0&1&0\\ { - \sin \alpha }&0&{\cos \alpha } \end{array}} \right]} \right.\left[ {\left. {\begin{array}{*{20}{c}} {\cos \gamma }&{ - \sin \gamma }&0\\ {\sin \gamma }&{\cos \gamma }&0\\ 0&0&1 \end{array}} \right]} \right. $ |
为使得DANTE序列抑制流动质子的效果更好，在功率不超限的情况下，在图像坐标系中除读出方向外两个方向需要最大，一般在读出方向上施加一个小梯度值，范围在0~6 mT/m.
| $ \begin{array}{l} \mathop {\max }\limits_{{G_i}} {\rm{abs}}({G_{ix}}) + {\rm{abs}}({G_{iz}})\\ {\rm{s}}{\rm{.t}}{\rm{. }}\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;P < {P_{{\rm{limit}}}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;RMS < RM{S_{{\rm{limit}}}}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;a < {\rm{abs}}({G_{iy}}) < b \end{array} $ | (11) |
(11)式中Plimit为GPA的P限额；RMSlimit为RMS限额；P和RMS的计算与物理坐标下的梯度Gp相关；a、b为图像坐标系下读出方向上梯度取值的上下限，一般取小值，a=0、b=6.
根据上述优化条件，对片层旋转进行梯度优化，而后进行人体实验，比较优化前后的DANTE序列黑血效果.
2 实验结果与讨论 2.1 静态质子暗条纹宽度影响因素分析在不同的梯度条件下，暗条纹的宽度会发生相应的变化，图 3仿真得到的是静态组织上不同位置的信号变化，DS即为暗条纹的宽度.
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图 3 FA=10°、G=10 mT/m条件下，静态组织位置与纵向弛豫MZ之间的关系.可以看到低信号会在等间隔的位置上出现，这是图像上暗条纹出现的原因.DS为暗条纹的间隔 Figure 3 The relationship between the static tissue position and the longitudinal relaxation MZ with FA of 10° and G of 10 mT/m. The low signal appears at equal intervals, which is the reason for the black strips in the image. DS is the interval of black strips |
仿真得到tD为1.2 ms和2.4 ms时，不同梯度幅值G下，静态质子暗条纹的宽度DS如图 4所示.根据图 4可以看到，G值越大，静态质子暗条纹宽度越小.当暗条纹的宽度大于图像的分辨率时，图像中必然会出现暗条纹.
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图 4 FA=10°时，静态质子暗条纹宽度DS与施加的梯度幅值G之间的关系. tD相同时，施加梯度的幅值越大，暗条纹宽度越小；相同的梯度条件下，方形线的暗纹宽度大致为三角形线的50% Figure 4 The relationship between the black strips width DS of static tissue and the applied gradient amplitude G at FA=10°. The larger the amplitude of the applied gradient, the smaller the black strips width is under the same tD; Under the same gradient conditions, the width of the square line is almost 50% of that of the triangle line |
由图 4的仿真结果可知：(1)暗条纹宽度相同时，G和tD的乘积保持相同，如DS=0.6、0.4、0.3 mm等位置，方形(tD=2.4 ms)的梯度值约为三角形(tD=1.2 ms)梯度值的50%；(2)G和tD的乘积越大，暗纹的宽度越小.
因此，为保证静态组织不受DANTE序列暗条纹的影响，必须充分利用梯度性能增大梯度G和tD的乘积，尽量减小暗条纹的宽度.
2.1.3 小单元数Np对静态质子暗条纹宽度的影响本文也测定了Np与DS之间的关系(表 1).根据表 1中的实验结果可知，在其他梯度条件相同时，改变小单元个数Np，对于静态质子暗条纹宽度DS并没有影响.
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表 1 Np对静态质子暗条纹宽度DS的影响(FA=10°，G=10 mT/m，tD=1.2 ms) Table 1 The effect of Np on black stripe width DS of static tissue (FA=10°, G=10 mT/m, tD=1.2 ms) |
本文仿真了不同梯度幅值下，动态质子信号随DANTE序列持续时间的变化，结果如图 5所示.由图 5可以看出施加的梯度幅值越大，抑制流动信号的效果越好.
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图 5 不同梯度幅值下，动态质子MZ随DANTE序列持续时间的变化.(a) FA = 10°，G = 10 mT/m; (b) FA = 10°，G = 20 mT/m.可以看到施加的梯度幅值越大，抑制流动信号的效果越好 Figure 5 The flow proton signal changes with DANTE sequence duration under different gradients. (a) FA = 10°, G = 10 mT/m; (b) FA = 10°, G = 20 mT/m. It can be seen that the greater the magnitude of the applied gradient, the better the effect of suppressing the flow proton signal |
图 6在Np保持相同的情况下，综合考虑了梯度幅度G和小单元持续时间tD两个因素对于流动质子信号抑制的影响，结果显示两者的乘积与抑制效果呈正相关.
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图 6 不同梯度条件下，不同流速质子的信号衰减情况，Np = 300. (a) G=10 mT/m, tD=1 ms; (b) G=6.7 mT/m, tD=1.5 ms; (c) G=20 mT/m, tD=1 ms; (d) G=16.7 mT/m, tD=1.5 ms; (e) G=20 mT/m, tD=2 ms; (f) G=26.7 mT/m, tD=1.5 ms. (a)~(f)分别具有不同的G和tD乘积，乘积相近时，对流动质子的抑制效果相差无几；而随着G和tD乘积的增大，抑制效果越来越好 Figure 6 Under different gradient conditions, the signal attenuation of protons at different flow velocities, Np = 300. (a) G=10 mT/m, tD=1 ms; (b) G=6.7 mT/m, tD=1.5 ms; (c) G=20 mT/m, tD=1 ms; (d) G=16.7 mT/m, tD=1.5 ms; (e) G=20 mT/m, tD=2 ms; (f) G=26.7 mT/m, tD=1.5 ms. (a)~(f) have different product, respectively. The more similar the product is, the more similar effect of suppressing flow protons is. It is found that the bigger product of G and tD suppresses the flow proton better |
DANTE序列小单元持续时间tD取1.2 ms，使用(5)式中的累积相位，仿真(3)式的磁化矢量变化如图 7所示.由图 7可以看到，随着DANTE序列小单元数Np的增加，尽管静态质子(v=0)信号基本不受影响，但流动质子信号大幅衰减，黑血效果越好.
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图 7 不同流速(v=0, 1, 2, 4, 8, 10 cm/s)的组织MZ随DANTE序列施加的时间变化，FA=10°，G=15 mT/m.可以看到，静态组织(v=0 m/s)MZ几乎没有明显的衰减，而流动组织随时间衰减明显 Figure 7 The variation of the tissue MZ at different flow velocities (v=0, 1, 2, 4, 8, 10 cm/s) with the DANTE sequence duration, FA=10°, G=15 mT/m. It can be seen that the MZ of static tissue (v=0 m/s) has almost no significant attenuation, while the flow tissue decays significantly over time |
图 8验证了增加小单元数Np对于抑制流动血液的影响，比较图 8(a)和8(b)的圆圈显示部分，可以看到增加DANTE序列模块可以抑制流动的血液信号；比较图 8(b)和8(c)可以看到，增加DANTE序列小单元数Np，抑制流动血液的效果越好.
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图 8 验证增加小单元数Np对于抑制流动血液的影响，tD=1.2 ms, 扫描部位为大腿. (a)使用变翻转角FSE 3D序列(TR=800 ms，TE=17.7 ms，FOV=400×400 mm2，矩阵=352×352×102，带宽=500 Hz/pixel，层厚=1.0 mm；(b)增加DANTE序列模块, FA=10°, Gx=Gy=Gz=13 mT/m, Np=70，其余参数同图(a)；(c)增加DANTE序列模块, FA=10°, Gx=Gy=Gz=13 mT/m, Np=150, 其余参数同图(a).比较图(a)和图(b)的圆圈中的结果，增加DANTE序列模块可以抑制流动的血液信号；比较图(b)和图(c)可以看到，随着DANTE序列小单元数Np的增加，抑制流动血液的效果越好 Figure 8 Verify that the increase in the number of blocks Np for suppressing the flowing blood of thigh, tD=1.2 ms. (a) Using the FSE 3D sequence (TR=800 ms, TE=17.7 ms, FOV=400×400 mm2, matrix=352×352×102, band Hz/pixel, thickness=1.0 mm); (b) Addition of the DANTE sequence module, FA=10°, Gx=Gy=Gz=13 mT/m, Np=70; (c) Addition of the DANTE sequence module, FA=10°, Gx=Gy=Gz=13 mT/m, Np=150. Comparing the results of figures (a) and (b) in the circle, it can be seen the increase in DANTE sequence can suppress the flow of blood signals; comparing fig. (b) and (c), it can be seen with the increase in DANTE sequence blocks Np, the effect of suppressing flowing blood is better |
综合2.1和2.2节的结果，可以发现尽量增大G与tD的乘积，以及Np，有利于减小静态质子暗条纹的宽度，增强黑血效果.
2.3 梯度优化实验结果 2.3.1 读出方向上的梯度优化结果表 2中组1和组2对读出方向上的梯度进行了优化，但梯度幅度均较小；而组3中3个轴上都施加较大的梯度幅度.3组梯度施加条件下，GPA的平均功率P相近.观察各个方向上的血流抑制情况，以评估黑血效果.
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表 2 读出方向梯度优化(tD = 1.2 ms, Np = 150) Table 2 Optimization for readout direction gradient (tD = 1.2 ms, Np = 150) |
变翻转角FSE 3D序列[11, 12]虽然对读出方向上的流动信号具有较好的抑制作用，但是对于其他两个方向的流动信号抑制效果不明显[图 9(a)].施加未经梯度优化的DANTE序列能够起到一定的黑血效果，但是由于GPA最大功率的限制，黑血效果无法进一步提升[图 9(b)].图 9(c)对于DANTE序列中读出方向上的梯度在GPA限额内进行了优化，尽量提升DANTE序列在除读出方向外的黑血效果，最终效果优于未经优化的图 9(b).
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图 9 读出方向上梯度优化(tD=1.2 ms，扫描部位为大腿). (a)使用变翻转角FSE 3D序列(TR=800 ms, TE=17.7 ms, FOV=400×400 mm2，矩阵=352×352×102，带宽=500 Hz/pixel，层厚=0.67 mm)；(b)使用增加DANTE序列模块. FA=10°, GSS=GPE=GRO=13 mT/m, Np=150，其余扫描参数同图(a)；(c)使用增加经梯度优化后的DANTE序列模块. FA=10°, GSS=GPE=18 mT/m, GRO=2 mT/m, Np=150, 其余扫描参数同图(a).左右方向为相位编码(PE)的方向，上下方向为读出编码的方向(RO)，黑色短箭头为具有PE和RO两个方向流速的慢流速血液，黑色长箭头为选层方向的慢流速血液.经过优化后的梯度对选层方向以及相位编码方向上的流动血液有了更好的抑制作用，黑血效果更好 Figure 9 Optimization experiment for readout direction gradient (tD=1.2 ms, the scan area is thigy). (a) Using the FSE 3D sequence (TR=800 ms, TE=17.7 ms, FOV=400×400 mm2, matrix=352×352×102, band thickness=0.67 mm); (b) Using the pulse sequence including unoptimized DANTE sequence module. FA=10°, GSS=GPE=GRO=13 mT/m, Np=150, the other scan parameters are the same with Fig. (a); (c) Using the pulse sequence including optimized DANTE sequence module. FA=10°, GSS=GPE=18 mT/m, GRO=2 mT/m, Np=150, the other scan parameters are the same with Fig. (a). The left-right direction is the direction of the phase encoding (PE), the up-down direction is the direction (RO) of the readout encoding, the short black arrow is the flowing blood in both directions of PE and RO, and the long black arrow is the flowing blood in selection direction. Fig. (c) with optimized gradient has better black blood effects in selection and phase encoding directions than Fig. (b) |
根据实际片层旋转的情况，在GPA功率不超限的条件下，对物理坐标系下的梯度进行相应的调整，如图 10(c)中为到达Gix= Giz = 18 mT/m、Giy= 2 mT/m这一梯度条件，计算得到物理坐标系下Gpx= 12.89 mT/m、Gpz= 20.34 mT/m、Gpy= 4.81 mT/m.经过片层旋转条件下的梯度优化，达到了更好的抑制血流的效果.
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图 10 片层旋转后的梯度优化实验(tD=1.2 ms，扫描部位为大腿).图(a)~(c)的片层均绕物理坐标系下读出梯度(RO)方向顺时针旋转15°. (a)使用变翻转角FSE 3D序列(TR=800 ms, TE=17.7 ms, FOV=400×400 mm2，矩阵=352×352×102，带宽=500 Hz/pixel，层厚=0.67 mm)；(b)使用增加未进行片层旋转优化DANTE序列模块的脉冲序列.FA=10°, Gpx=GPz=18 mT/m, Gpy=2 mT/m, Np=150，其余扫描参数同图(a)；(c)使用增加片层旋转优化DANTE序列模块的脉冲序列.FA=10°, Gix=Giz=18 mT/m, Giy=2 mT/m, Np=150，其余扫描参数同图(a).左右方向为相位编码(PE)的方向，上下方向为读出编码的方向(RO)，黑色短箭头为具有PE和RO两个方向流速的慢流速血液，黑色长箭头为选层方向的慢流速血液.经过优化后的梯度对选层方向以及相位编码方向上的流动血液有了更好的抑制作用，黑血效果更好 Figure 10 Optimization for gradient after slice rotation (tD=1.2 ms, the scan area is thigh). The layers of Fig. (a)~(c) are all rotated for 15° in RO direction in the physical coordinate system. (a) Using the FSE 3D sequence (TR=800 ms, TE=17.7 ms, FOV=400×400 mm2, matrix=352×352×102, band Hz/pixel, thickness=0.67 mm); (b) Using the pulse sequence including DANTE sequence module without slice rotation optimization. FA=10°, Gpx=Gpz=18 mT/m, Gpy=2 mT/m, Np=150, the other scan parameters are the same with Fig. (a); (c) Using the pulse sequence including optimized DANTE sequence module after slice rotation. FA=10°, Gix=Giz=18 mT/m, Giy=2 mT/m, Np=150, the other scan parameters are the same with Fig. (a). The left-right direction is the direction of the phase encoding (PE), the up-down direction is the direction (RO) of the readout encoding, the black long arrow is the flowing blood in both directions of PE and RO, and the black short arrow is the flowing blood in selection direction. Fig. (c) with optimized gradient has better black blood effects in selection and phase encoding directions than Fig. (b) |
DANTE序列使用的是小角度的翻转角，因此对成像序列的影响不大，然而使用了散相梯度来抑制流动信号，这对于目前梯度放大器有限额的条件下就有了很大的性能要求.在理想条件下，即梯度放大器不受限，增大DANTE序列小单元中的梯度幅值可以有效抑制流动的血液信号.
在实验条件下，如果DANTE序列的梯度条件不理想，会使暗条纹明显，影响序列的成像质量.
暗条纹的宽度无法调节至0，协调暗条纹宽度与图像的分辨率也是值得考虑的问题.
在实际工程中，为充分利用梯度放大器的性能，即在梯度放大器RMS和P不超限的条件下，将梯度合理分配在所需的方向上，能够更好地在相应方向上抑制血流(在本文中为除读出方向以外的两个方向)，从而使DANTE序列发挥更好的黑血效果.上述实验已经充分验证了DANTE序列黑血效果的相关规律.根据梯度对DANTE序列性能的影响因素分析，能够对DANTE序列的调参会具有更好的指导作用.
本文的前提是考虑对读出方向上有很好流动抑制的成像序列，对于其他成像序列不适用.另外，对于不同流向的血管，在血液的流动方向上增加梯度幅值会有更好的抑制效果，如颈动脉的流向为脚到头，在这一方向上增加梯度幅值会有更好的黑血效果.
3 结论本文对DANTE序列进行了仿真，得到静态以及动态质子在不同梯度参数条件下磁化矢量的变化.根据仿真结果以及实验验证，为减小静态组织中暗条纹的宽度，增大DANTE序列模块对于流动信号的抑制效果，必须充分发挥梯度的性能.然而实际工程设计中，DANTE序列的梯度施加受到GPA以及图像对比加权的限制.为使得DANTE序列能够发挥更好的黑血效果，本文从读出方向上以及片层旋转两个方面进行梯度优化.优化结果表明，提升选层方向以及相位编码方向流动信号的抑制效果后，对DANTE序列的黑血效果有了进一步的改善.
| [1] |
ZHNG X Y, WANG C L, XIE H B, et al. Parallel segmentation and tracking algorithm for magnetic resonance angiography images based on GPU[J].
Chinese J Magn Reson, 2016, 33(4): 570-580.
张雪莹, 王成龙, 谢海滨, 等. 基于GPU加速的磁共振血管造影图像的并行分割与追踪算法[J]. 波谱学杂志, 2016, 33(4): 570-580. |
| [2] | KOKTZOGLOU I, LI D. Diffusion-prepared segmented steady-state free precession:application to 3D black-blood cardiovascular magnetic resonance of the thoracic aorta and carotid artery walls[J]. J Cardiovasc Magn Reson, 2007, 9(1): 33-42. DOI: 10.1080/10976640600843413. |
| [3] | WANG J N, YARNYKH V L, HATSUKAMI T, et al. Improved suppression of plaque-mimicking artifacts in black-blood carotid atherosclerosis imaging using a multislice motion-sensitized driven-equilibrium (MSDE) turbo spin-echo (TSE) sequence[J]. Magn Reson Med, 2007, 58(5): 973-981. DOI: 10.1002/(ISSN)1522-2594. |
| [4] | LI L Q, MILLER K L, JEZZARD P. DANTE-prepared pulse trains:a novel approach to motion-sensitized and motion-suppressed quantitative magnetic resonance imaging[J]. Magn Reson Med, 2012, 68(5): 1423-1438. DOI: 10.1002/mrm.24142. |
| [5] |
LI L, ZHOU Y C, YUAN C, et al. Imaging lenticulostriate arteries at 3 tesla using optimized flow-sensitive black-blood technique[J].
Chinese J Magn Reson, 2016, 33(4): 528-538.
李律, 周赜辰, 苑纯, 等. 基于优化后流动敏感黑血序列的豆纹动脉3 T磁共振成像[J]. 波谱学杂志, 2016, 33(4): 528-538. |
| [6] | LI L Q, MILLER K L, JEZZARD P. DANTE-prepared pulse trains:a novel approach to motion-sensitized and motion-suppressed quantitative magnetic resonance imaging[J]. Magn Reson Med, 2012, 68(5): 1423-1438. DOI: 10.1002/mrm.24142. |
| [7] | WANG J N, HELLE M, ZHOU Z C, et al. Joint blood and cerebrospinal fluid suppression for intracranial vessel wall MRI[J]. Magn Reson Med, 2016, 75(2): 831-838. DOI: 10.1002/mrm.25667. |
| [8] | LI L Q, KONG Y Z, ZAITSU Y, et al. Structural imaging of the cervical spinal cord with suppressed CSF signal using DANTE pulse trains[J]. Magn Reson Med, 2015, 74(4): 971-977. DOI: 10.1002/mrm.v74.4. |
| [9] | ZUR Y, WOOD M L, NEURINGER L J. Spoiling of transverse magnetization in steady-state sequences[J]. Magn Reson Med, 1991, 21(2): 251-263. |
| [10] | CARR H Y. Steady-state free precession in nuclear magnetic resonance[J]. Phys Rev, 1958, 112(5): 1693-1701. DOI: 10.1103/PhysRev.112.1693. |
| [11] | STOREY P, ATANASOVA I P, LIM R P, et al. Tailoring the flow sensitivity of fast spin-echo sequences for noncontrast peripheral MR angiography[J]. Magn Reson Med, 2010, 64(4): 1098-1108. DOI: 10.1002/mrm.v64:4. |
| [12] | BUSSE R F. Flow sensitivity of CPMG sequences with variable flip refocusing and implications for CSF signal uniformity in 3D-FSE imaging[C]. Proceedings of the 14th Annual Meeting of ISMRM. 2006: 2430. |