第五节　扫描参数的质量控制

一般说起图像质量，多数人就会想到MR信号强度。实际上，MR信号强度仅是图像质量的一个方面。图像质量受多个因素影响，主要包含以下几个内容：

◆　图像信噪比（SNR）；

◆　图像对比度（CNR）；

◆　图像分辨力（resolution）；

◆　扫描时间（time）；

◆　伪影（artifact）。

这几个部分相互制约。增加图像的SNR，必然增加扫描时间或降低分辨力。改变图像的CNR，必然影响SNR或扫描时间。增加分辨力会使扫描时间延长、SNR下降。因此，图像质量很难做到尽善尽美，一般是找一个平衡点，兼顾各方面因素的影响。将有专门的章节介绍伪影。本节重点介绍前四个因素对图像质量的影响。

一、扫描时间

学习目的

　了解影响扫描时间的因素。

　了解二维和三维成像时扫描时间的计算方法。

名词解释

　分辨力。

　激发次数，平均次数。

有人可能认为扫描时间并不属于图像质量的一部分。实际工作中，如果不考虑扫描时间，我们可以得到一个很高SNR、CNR、分辨力的图像，但扫描时间惊人。例如，采用扫描矩阵1024×1024，RF脉冲激发4次，扫描层数7，需要的时间大约是8分钟。这个脉冲序列的检查时间太长，故不可能在实际临床上应用。所以，设计扫描参数时需要在考虑扫描时间的前提下，综合调整SNR、CNR、分辨力，以保证最后的图像质量。

（一）二维成像的扫描时间

以SE序列为例，一次RF脉冲激发，只能采集一个相位的MR信号，而后将其填充到K空间中。紧接着进行下一次RF脉冲激发。所以，采集一个相位信号的时间是TR。

K空间内相位轴方向的相位数由扫描矩阵的相位矩阵决定。如果填满整个K空间，相位矩阵数有多少，就要重复多少次RF脉冲激发。完成一个K空间填充所需要的时间是TR×相位矩阵。

重复填充一个K空间的次数称为激发次数或平均次数（NEX）。经多次采样、填充后，K空间每一个相位行的信息量就会增加，信号强度也会增加。但是，扫描时间也相应地增加。此时，扫描时间是TR×相位矩阵×NEX。

如果进行多层扫描，对数据如何采样？MRI系统首先发射一个RF激发脉冲，采集第一层面第一个相位的信号，随后等待片刻，以便使XY平面的磁化矢量部分地恢复到Z轴，为下一次RF脉冲激发储备纵向磁化矢量。在等待期间，MRI系统进行着其他工作，如发射RF激发脉冲、采集第二层面第一个相位的信号，依此类推，逐个完成每个层面第一个相位信号的采集。而后，MRI系统开始采集第一层面第二个相位的信号，直至完成各个层面的信号采集。这个过程要求TR时间必须足够长，否则不能完成多个层面的采样。这种采样方式称为交叉采样（图1-5-1-1）。绝大多数的二维扫描序列采用交叉采样方式，进行数据采集。

对于SE和FSE序列的T1WI，TR时间有严格的上限，即不能大于600ms，否则就不是T1对比度图像。如果要设计很多层面采集，一般需要分两次完成，即第一次采集第1、3、5等奇数层面的信号，第二次采集2、4、6等偶数层面的信号，经这两次采集完成一次完整的T1WI扫描。如果扫描层数更多，可分别进行三次采集。此时，总的扫描时间是TR×相位矩阵×NX×采集次数。

对于GRE和SPGR序列，还有另外一种采样方式，如图1-5-1-2所示。MRI系统首先连续采样，完成第一层面全部的K空间填充。然后进行第二层面的采样、填充，之后是第三层面，直至完成所有层面的扫描。此时，总的扫描时间是TR×相位矩阵× NEX×扫描层数。

（二）三维成像的扫描时间

三维成像又名容积成像。这种成像方式的扫描范围是一个厚块，其中的扫描层厚比二维成像更薄，而且没有层间隔。扫描层厚很薄时，可对容积成像的数据进行任意方向的重组。目前，容积成像已在临床上广泛应用。

三维容积成像的RF脉冲并非单独作用于一个层面，而是作用于整个扫描厚块。同时，有两个相位编码，第一个相位编码是层面编码；选择层面后，再应用第二个相位编码。直至整个厚块采样结束。此时，总的扫描时间是TR×相位矩阵×层数×NEX。

增加TR、相位矩阵、NEX都将增加扫描时间。而且，增加TR可能改变图像的对比度，同时也增加图像的信噪比；增加相位矩阵将降低图像的信噪比，但增加图像的分辨力；增加NEX将增加图像的信噪比。记住，扫描时间过长有可能使患者不能耐受而出现运动，导致运动伪影。表1-5-1-1列出常用扫描参数对扫描时间的影响。

二、图像信噪比

学习目的

　了解影响信噪比的因素。

名词解释

　像素，体素，接收带宽。

顾名思义，信噪比（SNR）是接收的信号强度和接收的噪声强度的比值。因此影响SNR的因素实际上包括影响信号和噪声的因素。又分为内因和外因两方面。

就内因而言，MRI系统接收的信号均来源于成像区域的氢质子，氢质子数量决定MR信号高低，这是无法改变的。外因是可以改变的。影响SNR的外在因素主要有以下几个：

影响信号强度的因素：

◆　磁场强度；

◆　扫描参数，包括TR、TE、翻转角、扫描视野、扫描矩阵、层厚。

影响噪声的因素：

◆　接收带宽；

◆　线圈。

对图像信号和噪声均有影响的因素：

◆　激发次数。

（一）影响信号强度的因素

MR信号强度取决于局部的氢质子数量。氢质子的小磁矩受RF激发脉冲作用后产生一个净磁化矢量，感应电流和MR信号由此形成。凡影响净磁化矢量大小的因素，都可以影响信号强度。

1.磁场强度

在第一节曾讨论，当磁场强度增加时，处于低能级状态的小磁矩的数量会明显增多，而且增多的倍数与磁场强度成正比，总的磁化矢量也成倍增加。磁化矢量是MR信号最终的源泉。所以，磁场强度增加时，信号强度也增加。

2.扫描参数

TR、TE、翻转角是影响图像对比度的主要参数。实际上它们也影响图像SNR。

（1）TR时间：

TR时间是两次激发脉冲之间的时间间隔。TR应足够长，以保证MRI系统有时间完成信号采集，同时还有时间使XY平面的横向磁化矢量大部分恢复到Z轴，为下一次激发脉冲作用储备足够的纵向磁化矢量。如果TR时间很短，恢复到纵向的磁化矢量很少，下一次RF激发脉冲作用时就没有足够的磁化矢量可以响应（图1-5-2-1），产生的横向磁化矢量很小，MR信号强度就会变弱，SNR下降。反之，如果TR长，就会有充足的磁化矢量恢复，RF激发脉冲作用后可产生较大的横向磁化矢量和较强的信号，SNR增加（图1-5-2-2）。

（2）TE时间：

TE时间是指从RF激发脉冲开始作用到接收信号的时间间隔。TE时间越长，在XY平面横向磁化矢量衰减越多（图1-5-2-3），感应的电信号越小，最终的MR信号越弱，SNR越小。反之，TE时间短，MR信号强，SNR大（图1-5-2-4）。

（3）翻转角：

在SE和FSE扫描序列中，RF脉冲均是以90°激发氢质子，即将氢质子磁矩倾斜90°，使其由Z轴翻转到XY平面，故不存在翻转角的大小变化。但在GRE扫描序列中，采用小角度激发RF脉冲是常态。翻转角的大小直接决定横向磁化矢量分量的大小，这不仅影响图像的信号强度，还影响图像对比度。RF激发脉冲的翻转角大，形成的横向磁化矢量分量也较大（图1-5-2-5），产生的MR信号也较强。

（4）扫描视野和扫描矩阵：

MR图像与我们平时所见数码相机的照片一样，都是数字图像。数字图像涉及图像分辨力大小的问题。数字图像的分辨力以像素表示，像素越小，图像分辨力越高。

与每个像素对应的人体组织单元称为体素。MR成像的扫描视野、扫描矩阵和层厚共同决定体素的大小。换言之，体素的大小取决于相位分辨力、频率分辨力和层面分辨力。体素越大，其中包含的氢质子数量越多，产生的MR信号越强，图像的信号就很亮（图1-5-2-6）。

总之，扫描视野、扫描矩阵和层厚共同决定体素的大小，因而也决定一个体素的相位分辨力、频率分辨力和层面分辨力。

相位分辨力=扫描视野大小/相位矩阵数

频率分辨力=扫描视野大小/频率矩阵数

层面分辨力=层厚大小

增大扫描视野、减小扫描矩阵、增大扫描层厚均可使体素增大，结果使MR信号强度增高；缩小扫描视野、增大扫描矩阵、减小扫描层厚均可使体素减小，使MR信号强度减低。

（二）影响噪声的因素

1.接收带宽

接收带宽是指读取MR信号的频率编码梯度的频率范围。一般来说，存在噪声是随机、任意的。对于同一个大小的信号，当采样的接收带宽较小时，采集的噪声有限；当接收带宽增大时，由于信号大小不变，实际上采集的噪声增加（图1-5-2-7）。因此，接收带宽增大时，图像的噪声增加，SNR降低。

2.线圈

有关线圈设计和种类的描述，请看MRI设备的章节内容。线圈的大小对图像质量确有影响。小线圈受外源性因素（如线圈通电后产生的电噪声）的影响较小，出现伪影的几率也少，所以噪声较小。小视野MR成像时，应尽可能采用小线圈扫描。对于同一个大小的MR信号，线圈越小，接收的噪声越少，图像的SNR越高。

（三）对图像信号和噪声均有影响的因素

激发次数又名平均次数，是指完成K空间填充的次数。填充的次数越多，得到同一信号的次数越多，MR图像中总的信号强度越高。但是，激发次数增多不仅得到更多信号，还有更多噪声。因此，激发次数对信号和噪声均有影响。另一方面，图像SNR也不会随着激发次数增多而成倍增加。SNR与激发次数（NEX）的关系如下：

SNRN=NEX-2×SNR1

我们已经知道，增加NEX将使扫描时间成倍增加。我们现在看到，N个NEX产生的信噪比增加与扫描时间增加不成比例。尤其当NEX大于4时，增加NEX对图像信噪比的影响有限。在超高场强的MRI系统扫描时，扫描参数的NEX一般不大于4。

图1-5-2-8展示NEX为1、2、4时，头部T2WI不同组织的信号强度变化。

在实际扫描过程中，一些扫描参数能从多个方面影响图像质量。例如，TR时间对SNR、CNR、扫描时间均有影响；扫描矩阵对SNR、分辨力、扫描时间均有影响。因此，当调整某个脉冲序列的扫描参数时，不可以单纯调整1个参数，而至少要相应地改变2至3个参数，才能保证MR图像的总体质量不出现大的波动。

常见扫描因素对图像SNR的影响见表1-5-2-1。

三、图像对比度

图像对比度相关的内容在本章第二节已有描述，这里不再重复。就MR成像而言，不同的图像对比度往往对应不同的扫描序列及其扫描参数。日常工作中仅允许在一定的范围内对这些扫描参数进行修改或调整，以保持临床常用的一些图像对比度特征，如T1WI、T2WI、PDWI和WI。这些图像对比度的名称约定俗成，每一名称对应一种特定的影像表现或组织信号对比，这已经为大家所熟悉，例如，在头颅T1WI上脂肪呈高信号，脑脊液呈低信号，脑白质的信号强度高于灰质（图1-5-3-1）。更多内容将在下一节脉冲序列中介绍。

四、图像分辨力

MR图像的分辨力高低与扫描视野、扫描矩阵和扫描层厚有关。部分内容已在前文的扫描参数一节描述。表1-5-4-1列出了常用扫描参数与MRI分辨力的关系。

在实际应用中，另有一种提高分辨力的方式，它与上述三因素无关。这是一种零填充内插式K空间重建技术（图1-5-4-1），其提高分辨力的机制如下：在MR扫描时采用较低的分辨力，如256×192矩阵，而在采集这些数据并填充K空间的过程中，以零数据填充K空间的周边部分，结果使K空间变成512×512矩阵。这种MR图像的分辨力会明显提高，类似512×512矩阵的效果，但是，其扫描时间仍然较短。这里引入两个概念，扫描矩阵，即我们在设定扫描参数时设置的真实矩阵；重建矩阵，即经过MRI系统重建后显示在图像的实际分辨力。

利用零填充内插式技术提高重建矩阵的优势是，在不增加扫描时间的情况下提高分辨力。但这个基于重建矩阵的高分辨力图像与真正的512×512扫描矩阵图像比较，分辨力存在明显的差距（图1-5-4-2）。还有其他缺点，即零内插技术的图像有时出现伪影。尽管如此，零内插重建技术已广泛应用。在显示MR图像的参数时，有些厂家显示扫描矩阵，有些厂家显示重建矩阵。