Functional MRI (second edition) -- 5. MR Contrast Mechanisms and Pulse Sequences

B增强时，T1T_{1} 变大，T2和T∗2T_{2}和T_{2}^{*} 变小。方便记忆可以思考陀螺的例子:

- 当地球引力变大的时候，high-energy和low-energy状态之间的能量差变大，这时想改变状态就会变得更困难，因此T1T_{1} 变大。

- 同时为了保持平衡陀螺需要旋转的更快，因此相互间的相位更容易变得混乱，因此T2和T∗2T_{2}和T_{2}^{*} 变小。

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TR: repetition time, 两个相邻excitation pulse之间的时间差。

TE: echo time, excitation pulse和 data acquisition之间的时间差。

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Mxy(t)=M0(1−e−TR/T1)e−TE/T2M_{xy}(t)=M_{0}(1-e^{-TR/T_{1}})e^{-TE/T_{2}}

contrast: CAB=M0A(1−e−TR/T1A)e−TE/T2A−M0B(1−e−TR/T1B)e−TE/T2BC_{AB}=M_{0A}(1-e^{-TR/T_{1A}})e^{-TE/T_{2A}}-M_{0B}(1-e^{-TR/T_{1B}})e^{-TE/T_{2B}}

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Static contrast

Proton-density contrast

得到该图像，需要让T1和T2T_{1}和T_{2}对于contrast的影响减小。方法可以是使TR和TE都非常大或非常小。但是短TR或者长TE都会导致信号减弱，因此使用的是“长TR，短TE(TR>T1,TE<T2TR>T_{1}, TE)”；为了控制scan的时间，可以进一步使用”small flip angle（<90度）”的方式，这样z方向的恢复会变快，即T1T_{1}会变小。

T1T_{1} contrast

取短TE(<<T2T_{2})，适中TR。

CAB=M0A(1−e−TR/T1A)−M0B(1−e−TR/T1B)C_{AB}=M_{0A}(1-e^{-TR/T_{1A}})-M_{0B}(1-e^{-TR/T_{1B}})

图像特点：固体亮，液体暗，因为水的T1很长。

可以使用inverse recovery来增强T1 contrast，方法是在spin-echo或gradient-echo前加入180度pulse。

T2 contrast

取长TR(>>T1)，适中TE，只能用spin-echo。

CAB=M0Ae−TE/T2A−M0Be−TE/T2BC_{AB}=M_{0A}e^{-TE/T_{2A}}-M_{0B}e^{-TE/T_{2B}}

图像特点：液体亮

T2* contrast

取长TR(>>T1)，适中TE，只能用gradient-echo。

1T∗2=1T2+1T′2\frac{1}{T_{2}^{*}}=\frac{1}{T_{2}}+\frac{1}{T_{2}'}

T′2T_{2}'是由磁场不均匀造成的。

Chemical contrast

又称chemical shift imaging，基于不同分子中的proton的共振频率会不同。对于单独的频率进行MR signal采集，然后基于位置进行空间编码，得到图像(不能使用一般的频率-相位编码，因为不能加频率的gradient。作为替代，在x、y方向上，同时加入一个phase encoding gradient)。

Macromolecular contrast

magnetization transfer：大分子中的proton可以影响周围水分子。

水分子的proton共振频率宽度仅为100Hz，大分子中的可达几千Hz。

成像步骤：

off-resonance excitation：可以激活大分子，但是不会激活水分子中的proton。

magnetization transfer：一部分大分子中激活的proton会将能量转移给周边的水分子中的proton。

on-resonance excitation：激活水分子中proton。

采集信号：由于之前的transfer造成一部分水分子中的proton能量上升，因此on-resonance excitation的时候吸收的能量就减少了，采集信号时释放的能量就减少了。因此是相关大分子越多的地方，信号越弱。

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Motion Contrast

MR angiography(MRA, 血管造影)：

time-of-flight(TOF) MRA: 先用excitation pulse和gradient satuation pulse 进行 presaturate； 然后等一段时间让新鲜血液流进来，再加excitation pulse，进行gradient-echo得到图像。

velocity-encoded phase contrast(VENC-PC) MRA: 引入三个方向的phase gradient。然后得到加phase-gradient和不加的两张图像的差，为MRA图像。

Diffusion-weighted contrast：

attenuation effect: A=e−∫T0D(γG(t)t)2dt=e−bDA=e^{-\int_{0}^{T}D(\gamma G(t)t)^{2}dt}=e^{-bD}

D-apparent diffusion coefficient(ADC), 无差别扩散的扩散系数

G-external diffusion-weighting gradient

T-duration of G

b factor: b=∫T0(γG(t)t)2dtb=\int_{0}^{T}(\gamma G(t)t)^{2}dt (the degree of diffusion weighting applied within a pulse sequence)

DTI(Diffusion tensor imaging)

fractional anisotropy: FA=(Dx−Dy)2+(Dx−Dz)2+(Dz−Dx)2√2(Dx2+Dy2+Dz2)√FA=\frac{\sqrt{(Dx-Dy)^{2}+(Dx-Dz)^{2}+(Dz-Dx)^{2}}}{\sqrt{2(Dx^{2}+Dy^{2}+Dz^{2})}}介于0、1之间，逼近0时表示各项同性。

Perfusion-weighted contrast

perfusion: 通过某块组织的单位时间血流量。用于小血管和毛细血管。

rCBF(relative cerebral blood flow): 进入一个voxel的血流量

rCBV(relative cerebral blood volume): 一个voxel里包含的血量

mTT(mean transit time): 血流流过指定voxel所需时间

常用的成像方式被称为ASL(arterial spin labeling)

dM(t)→dt=M0→−Mz(t)→T1app+f(M′(t)→−M0→)\frac{d\vec{M(t)}}{dt}=\frac{\vec{M_{0}}-\vec{M_{z}(t)}}{T_{1app}}+f(\vec{M'(t)}-\vec{M_{0}})后面一项表示受血流的影响。

1/T1app=1/T1+f/λ1/T_{1app}=1/T_{1}+f/\lambda

dM(t)label→dt−dM(t)control→dt=−M(t)label→−M(t)control→T1app+f(−2M0→)\frac{d\vec{M(t)^{label}}}{dt}-\frac{d\vec{M(t)^{control}}}{dt}=-\frac{\vec{M(t)^{label}}-\vec{M(t)^{control}}}{T_{1app}}+f(-2\vec{M_{0}})

M(t)label→−M(t)control→=−2T1appfM0→/λ\vec{M(t)^{label}}-\vec{M(t)^{control}}=-2T_{1app}f\vec{M_{0}}/\lambda

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Fast imaging sequences

Echo-planar imaging

keyword: zigzag.

Spiral imaging

keyword: k域螺旋，正弦gradient

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Signal recovery and distortion correction for EPI and spiral images

使用填充物填充空洞，例如口含的东西。

加入局部线圈。

在pulse sequence上加入z-shim gradient。

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Questions:

1. Chemical contrast 如何进行imaging的？位置解析如何做？P133

2. VENC-PC MRA如何进行位置解析？Phase image acquisition怎么做的？P138

加过phase gradient后加反的phase gradient进行补偿，然后正常成像，并不影响后面成像。

3.P145, 5.13怎么导出来的？