【MRI基础】TR 和 TE 时间概念

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。

回声时间 (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。

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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。

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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