MRI脂肪抑制技术的原理与临床应用

在磁共振成像（以下简称MRI）中，由于人体内脂肪组织中的氢质子和其它组织中的氢质子所处的分子环境不同，使得它们的共振频率不相同；当脂肪和其它组织的氢质子同时受到射频脉冲激励后，它们的弛豫时间也不一样 ...
在磁共振成像（以下简称MRI）中，由于人体内脂肪组织中的氢质子和其它组织中的氢质子所处的分子环境不同，使得它们的共振频率不相同；当脂肪和其它组织的氢质子同时受到射频脉冲激励后，它们的弛豫时间也不一样。在不同的回波时间采集信号，脂肪组织和非脂肪组织表现出不同的信号强度。利用人体内不同组织的上述特性，磁共振物理学家们开发出了多种用于抑制脂肪信号的脉冲序列。下面对四种脂肪抑制序列的基本原理、特点及临床应用价值作一个简单的介绍。
一脂肪饱和序列
1. 基本原理
脂肪饱和(Fat Saturation，FATSAT)方法是一种射频频率选择性脂肪抑制技术。它的基本原理是利用脂肪和水共振频率的微小差异，通过调节激励脉冲的频率和带宽，有选择地使脂肪处于饱和状态，脂肪质子不产生信号，从而得到只含水质子信号的影像。在FATSAT序列开始时，先对所选择的层面用共振频率与脂肪相同的90°射频脉冲(饱和脉冲)进行激励，使脂肪的宏观磁化矢量翻转至横向(XOY)平面，在激励脉冲之后，立即施加一个扰相(相位破坏)梯度脉冲，破坏脂肪信号的相位一致性，紧接着施加成像脉冲。由于回波信号采集与饱和脉冲之间时间很短(<100ms)，使脂肪质子无足够时间恢复纵向磁化矢量，没有信号产生，从而达到脂肪抑制的目的。
2. 脂肪饱和序列的特点及临床应用
FATSAT技术是在常规成像脉冲序列之前，先用一频率和脂类质子共振频率相同的饱和脉冲对所选择的层面进行激励，因此，该技术可用在所有的MR成像脉冲序列中。FATSAT序列的突出优点是只抑制脂肪信号，而其它组织信号不受影响，因此一般认为该序列对脂肪抑制具有特异性，可靠性较高，特别是在较高场强的磁共振成像系统中，只要饱和脉冲的频率和频带宽度选择合适，即可使脂肪组织的信号强度减低或消除，而非脂肪组织信号几乎不受任何影响。脂肪饱和序列最适合显示解剖细节，如有脂肪的软组织病变的显示、骨与关节成像、眼眶内病变的显示等。在对比增强扫描中，可用于对脂肪信号与增强病变之间的鉴别，特别是在含有大量脂肪组织的区域。脂肪饱和序列通常也可用于抑制或消除化学位移引起的伪影。
3. 影响脂肪抑制效果的因素
当静磁场强度不均匀时，脂肪和水的进动频率会受局部磁场的影响出现偏差，在这些区域，饱和脉冲的频率可能

不等于脂肪共振频率，由此将导致成像区域的脂肪得不到均匀一致的抑制，某些局部的脂肪信号仍然存在，影响对病变组织的诊断与鉴别诊断。目前认为，磁场非均匀性可通过缩小观察野，将兴趣区置于磁场中心和对主磁场进行匀场得到消除。磁场非均匀性多由于局部磁化率不同而引起，如鼻窦骨与空气交界处、右前横膈膜区域，空气与脂肪及肝脏交界处，在兴趣区周围如果存在金属异物或空气积聚也可造成磁场非均匀性，另外磁场非均匀性还可发生在那些解剖结构形态出现明显变化的区域。
另外，射频脉冲频率和带宽选择不当会影响脂肪抑制效果。除此之外，在使用表面线圈时，也会影响射频场的均匀性，使所选择的射频脉冲频率发生偏差，这是因为表面线圈只是接收线圈，射频脉冲来自于体线圈，在射频场内由于有表面线圈的存在，使射频脉冲频率受到干扰，偏离所选择的脂肪共振频率，以致于脂肪信号得不到充分的饱和。除了技术因素的影响外，脂肪信号是否得到完全抑制还与脂肪组织内具体成分有关，如部分含水的脂肪组织、少量处于游离状态或以甘油三脂形式存在的脂肪酸等，由于它们与水的共振频率相近，信号得不到完全抑制。另外，对于不同的MR扫描仪，由于静磁场强度不同，脂肪和水的共振频率之间相差程度不同，在静磁场强度为1.5T时，脂肪和水的共振频率相差224Hz左右(1.0T时，为150Hz; 0.3T时，为45Hz)。对于低场强磁共振系统，脂肪和水的共振频率差异很小，抑制效果受磁场非均匀性影响较大，因此在低磁场中很难得到比较好的脂肪饱和图像。
二反转恢复序列
1. 基本原理
反转恢复(Inversion-Recovery，IR)序列是在每个脉冲序列周期开始时，首先对成像层面施加180°射频脉冲，使成像层面的宏观磁化矢量翻转至主磁场的反方向，当180°脉冲停止，纵向弛豫过程立即开始，经过一定时间后再进行信号读取，信号读取部分可以是自旋回波（IR-SE），也可以是梯度回波（IR-GR），甚至可以是快速自旋回波（IR-FSE）。180°翻转脉冲和信号读取部分的第一个激发脉冲之间的间隔时间称为反转时间（Inversion Time，TI），TI是IR序列的重要参数，在脂肪抑制技术中所用的序列为短TI反转恢复(Short TI Inversion-Recovery，STIR)序列。图1为反转恢复自旋回波序列时序图。

图1 反转恢复脉冲序列时序图
翻转恢复序列抑制脂肪信号的基础是脂肪和水的T 1值不同。当重复时间(TR)足够长时，宏观磁化矢量将经历一个从-Mo到0，再从0到Mo的变化过程，由于脂肪组织的T 1值比水短，纵向磁化比水恢复要快，如果信号读取在脂肪组织的弛豫曲线过零点时进行，

则脂肪对纵向磁化矢量没有贡献，无法在数据采集时产生信号，所以用短TI反转恢复序列可以抑制脂肪信号。TI是影响脂肪抑制效果的关键参数，当TR比T1足够长时，只要取TI=0.69T1即可去除脂肪信号。我们知道组织T1值与磁场强度有关，同样抑制脂肪信号的最佳TI也与磁场强度有关，在磁场强度为1.5T时，最佳TI约为140~170ms，1.0T时为130~160ms，0.3T时为90~110ms。
2. STIR序列特点及临床应用
STIR序列是在脂肪组织弛豫曲线过零点时加入激励脉冲，此时大多数质子没有充分弛豫，仍然处于部分饱和状态，所得MRI信号中不含脂肪信号。但从另一方面看，与脂肪组织弛豫率相近的组织也可能处于部分饱和状态，这些组织会出现信号丢失，因此，一般来说，反转恢复序列的图像信噪比较低。在反转恢复序列中，信号强度与纵向磁化向量的绝对值有关，具有短T1和长T1的组织可能产生相同的信号强度，两种组织之间缺乏特征鉴别，也就是说STIR序列对脂肪信号的抑制缺乏特异性，当某些液体或组织的纵向磁化向量的绝对值与脂肪相近时，其信号也被抑制，例如粘液样组织、出血、蛋白样液体等。相反，脂肪浸润区域或含脂肪的肿瘤组织则因与纯脂肪组织的T1值不一样，反而得不到充分抑制，因此TI应根据脂肪结构、解剖部位及个体间差异合理选择。STIR不但可抑制全部脂肪组织信号，还可抑制部分水信号，它是目前唯一对磁场非均匀性不敏感的脂肪抑制技术。另外，在STIR序列中，T1、T2对比增加，具有长T1和长T2的组织对比非常明显，该特性有助于对肿瘤的检测。STIR序列常用于盆腔病变的检测及鉴别，如: 直肠瘘、脂肪瘤、卵巢畸胎瘤等。
图2中，上面两幅图像是翻转恢复序列乳腺脂肪抑制像，下面两幅为梯度序列像。

图2. 乳腺脂肪抑制像
3. 影响脂肪抑制效果的因素
正如前面说述，在STIR序列中，TI是影响脂肪抑制效果的关键参数，当TI值选择不恰当时，被抑制的可能不是所希望的脂肪，而是其它组织信号，从而导致脂肪抑制失败。为了确定抑制脂肪信号的最佳TI，目前已开发了基于频谱显示的TI调谐技术，该技术是将频率选择饱和与STIR相结合，如飞利浦的SPIR序列，GE的SPECIAL序列。另外，在对比增强扫描中，由于顺磁性造影剂可显著缩短血供丰富组织的T1值，而脂肪因少血管，T1值几乎不受影响，STIR序列反而使病变组织与脂肪组织的对比变差，甚至使病灶信号完全丢失，因此在增强扫描时不适宜用STIR序列。
三反相位成像
1. 基本原理
反相位(Opposed-phase)成像是根据水和脂肪在外磁场的作用下，共振频率不一样，质子间的相位不一致，在不同的回波时间可获得

不同相位差的影像这一基本原理而开发的脂肪抑制序列。所谓相位是指在横向平面磁化矢量的相位角。当脂肪质子和水质子处于同一体素中时，由于它们有不同的共振频率，在初始激发后，这些质子间随着时间变化相位亦发生变化，但在激励后的瞬间，脂肪质子和水质子处在同一相位，即它们之间的相位差为零，而水质子比脂肪质子进动频率快，经过数毫秒后，两者之间的相位差变为180°，再经过数毫秒后，相对于脂肪质子，水质子完成360°的旋转，它们又处于同相位，因此通过选择适当的回波时间，可在水和脂肪质子宏观磁化矢量相位一致或相位反向时采集回波信号。在常规MR成像序列中，同一体素的信号是该体素中水和脂肪质子宏观磁化矢量和的模。在相位一致(In Phase)影像中，水和脂肪信号相加。而在反相位成像时，水和脂肪信号抵消，剩余信号的大小除了受序列的采集参数影响外还取决于该体元内水和脂肪的含量。假定信号采集参数提供质子密度像，如果体元内都是水，则该体元此时表现为高信号；如果体元内都是脂肪，因为图像只提取幅度信息，并不区分信号的正负，该体元也表现为高信号；如果体元内水和脂肪的含量各占50%，信号相减后幅度为零，则该体元表现为低信号。由上可见，反相位成像技术实际上不是一种真正意义上的脂肪抑制技术，但它包含的信息可以帮助有经验的医生有效地区分水和脂肪。一般来说，可以通过很多方法获得反相位的图像，目前临床上主要使用梯度回波序列，所以又通常称为反相位梯度回波技术(Opposed-phase Gradient Echo Technique)。
2. 序列特点及临床应用
反相位成像技术简单、成像时间短，用于腹部MR成像，可在屏息状态下扫描以消除呼吸伪影，其最大优点是可用于证实少量脂肪以及脂肪和水的混合组织。另外反相位成像技术由于只与脂肪和水质子进动频率有关，与进动频率的绝对值无关，因此受静磁场非均匀性影响较小，因此，该技术可用在各种MR成像系统上。反相位成像最适合抑制含有等量脂肪和水的组织信号，在主要以脂肪或水的组织中，抑制效果较差。例如: 在以纯脂肪为主的病变组织中，成像体素中含有的脂肪酐酸和水信号比纯脂肪信号强度小得多，而脂肪信号相当高，反相位成像很难将脂肪信号抑制，因此，反相位成像通常用于抑制脂肪含量较少的病变组织，如肾上腺瘤、局限性脂肪肝及脂肪浸润、骨髓腔肿瘤、卵巢畸胎瘤等。
3. 影响脂肪抑制效果的因素
正如前面所讨论，反相位成像对于纯脂肪组织的信号抑制效果较差，对于包含在脂肪组织中的小肿瘤，反相位脂肪抑制序列难于

检测出来，如乳腺中的小肿瘤等。在注射对比剂后，也不宜用反相位成像作为脂肪抑制序列。另外，由于共振频率与磁场强度有关，在选取TE时应根据磁场强度而定，如果TE选择不合适，由于T 2 *衰减效应，信号强度随TE增加而下降，可能会将肝脏脂肪浸润或局限性脂肪肝这类良性病变误诊为恶性病变，因此，反相位的TE时间应短于同相位序列。Rofsky等对一组肝脏脂肪病变患者分别采用In Phase和Opposed-phase梯度回波技术扫描，通过对信号强度进行分析后认为，对类似肝脏局限性脂肪浸润这类病灶，如果只用Opposed-phase序列扫描，有可能难于和其它病变鉴别，必要时可用两种成像技术(Opposed-phase，In Phase)扫描，观察病灶的信号强度是否发生变化，以便做出正确诊断。
四 Dixon法
Dixon法是由Dixon提出，其基本原理与Opposed-phase法相似，分别采集水和脂肪质子的In Phase和Opposed-phase两种回波信号，两种不同相位的信号通过运算，去除脂肪信号，产生一幅纯水质子的影像，从而达到脂肪抑制的目的。
Dixon法的缺点是受磁场非均匀性影响较大，计算方法复杂并容易出现错误，因此，目前该方法在临床应用很少。近年来对Dixon法进行了改进，即所谓三点Dixon法(Three-point Dixon)，该方法是在脂肪和水共振频率相位移分别为0°、180°、-180°的三个点采集回波信号，由于增加了一个信号采集点用于修正磁场均匀性偏差引起的信号误差，较好地克服了磁场非均匀性对脂肪抑制效果的影响。据Bredella等报道，经改良后的三点Dixon法在低场强开放式磁共振系统中应用，脂肪抑制效果满意，诊断关节软骨损伤的敏感性和特异性均较高，是一种十分有用的检查技术。

图3. 膝关节的水脂分离图像

脂肪抑制技术是磁共振成像中常用的技术方法之一，主要用于对某些病变组织的鉴别，如肾上腺瘤、脂肪瘤、脂肪浸润及皮脂腺瘤等，改善增强后组织间的对比度、消除脂肪信号对病灶的掩蔽(如眶内病变)，或用脂肪抑制技术测量组织内脂肪含量，减少化学位移伪影等。理想的脂肪抑制技术应能根据脂肪含量及信号强度，鉴别该信号所代表的特定组织。脂肪饱和序列主要用于抑制有大量脂肪存在的部位和对比增强扫描中，它的主要缺点是对磁场非均匀性较敏感，不适用于低场强磁共振成像系统。短TI翻转恢复序列对磁场非均匀性不敏感，可在低场强磁共振成像系统中使用，多用于抑制纯脂肪组织和球状脂肪组织，但该序列特异性较差，对具有长T 1和短T 1的组织信号强度难于区分。反相位成像是一种快速、有效的脂肪抑制技术，该序列被推荐用于鉴别含有少量脂肪的病灶，主要缺点是对被

脂肪包围的小肿瘤检测可靠性差。最初的Dixon法由于成像时间长，对磁场非均性敏感、易受呼吸运动影响等缺陷，临床应用较少。改进后的Three-point Dixon法克服了上述缺点，可用于低场强开放式磁共振系统中，对关节软骨损伤是非常有效的诊断手段。
本文所介绍的几种主要脂肪抑制序列，各有优缺点，临床应用各有侧重，在临床实践中，我们应深刻理解各种脂肪抑制序列的原理，清楚各序列的优点及适用范围，在临床实践中根据不同解剖部位、组织结构及脂肪含量、病灶与相邻组织间的对比等实际因素选用相应的脂肪抑制序列。