一种用于奥弗豪泽磁共振成像的改良型平衡稳态自由进动序列

《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》：A Modified Balanced Steady State Free Precession Sequence for Overhauser Magnetic Resonance Imaging

　　

目的

低场与超低场磁共振成像（ULF MRI）在设计上固有地具有较低的信噪比（SNR）。奥弗豪泽动态核极化（ODNP）因可实现连续信号增强而成为一种有效解决方案。为加快成像速度并降低射频（RF）功率沉积，尤其是在ODNP所需高频RF场条件下，这一点至关重要，因此需要高效的脉冲序列。例如，平衡稳态自由进动（bSSFP）序列具有较高的信号效率。然而，常规bSSFP序列易受B₀不均匀性和时间性磁场漂移影响，从而导致条带伪影（banding artifacts）。

方法

本研究通过开发一种改良bSSFP序列（bSSFP180）来减轻条带伪影的局限性。该序列允许极化与采集交错进行，从而使其适用于ODNP增强的超低场磁共振成像。研究人员在成像实验中对未改良序列与改良序列进行了比较。

结果

所提出的序列能够有效抑制条带伪影，并在不均匀磁场条件下表现出稳健性能。磁共振成像实验结果表明，bSSFP180可实现无条带伪影成像。

结论

无条带伪影的bSSFP180图像标志着ODNP增强成像朝向未来生物医学应用中的实用化与可靠化迈出了重要一步。这一点对于在低场环境中采用轻量化、低成本永磁体系统开展的MRI实验尤为相关，因为这类系统通常面临磁场不稳定与不均匀等挑战。

该论文发表于《MAGNETIC RESONANCE IN MEDICINE》，聚焦于低场与超低场磁共振成像中一个关键瓶颈，即在磁场强度降低后，热平衡极化显著减弱，导致信噪比（SNR）先天不足。为补偿这一问题，奥弗豪泽磁共振成像（OMRI）利用奥弗豪泽动态核极化（ODNP）将电子自旋有序转移至质子，从而实现连续超极化增强，特别适用于低场成像体系。然而，OMRI在实际推进过程中仍受到多重限制：一方面，ODNP需要电子拉莫尔频率处的高频射频场，带来比吸收率（SAR）和穿透深度问题；另一方面，为提高采集效率而引入的平衡稳态自由进动（bSSFP）序列虽具有高信号效率，却对B₀不均匀性和磁场漂移高度敏感，容易出现条带伪影，进而削弱低场系统的成像稳定性。尤其是在便携式、低成本、永磁体型低场系统中，磁场不稳定与不均匀问题更加突出，因此有必要发展兼具高效率与抗场不均匀能力的新型序列。

围绕这一问题，研究人员在约850 μT的基于超导量子干涉器件（SQUID，超导量子干涉磁强计）的超低场MRI平台上，将ODNP增强与bSSFP结合，并进一步提出改良序列bSSFP180。该序列在每个重复时间（TR）内加入两个180°聚焦B₁脉冲，使采集信号从常规bSSFP中的场敏感稳态回波转变为具有自旋回波特征的稳态信号，从而补偿静态场不均匀引起的相位积累。研究显示，该策略在保留稳态序列高采集效率的同时，显著抑制了条带伪影，并在2D及3D超低场OMRI实验中实现了无条带伪影成像。这一结果表明，bSSFP180为低场环境下可靠、快速、连续增强的OMRI提供了新的技术路径，对未来功能性和生理敏感性成像具有重要意义。

研究人员采用的主要技术方法包括：在SQUID检测的超低场MRI系统中构建ODNP增强成像平台，使用调谐于约90 MHz的RF_ODNP鸟笼线圈实施连续超极化；设计并实现交错极化-采集的bSSFP与bSSFP180序列，通过在后者中引入两个180°重聚焦脉冲提高抗B₀不均匀性能力；利用Bloch方程旋转坐标系仿真分析不同离共振频率和B₀分布下的稳态横向磁化行为；采用三种TEMPO/PBS模体开展2D与3D成像验证，其中模体包含均一2 mM TEMPO样品、不同TEMPO浓度分隔腔室样品及九腔室互连样品。

在“2.1 Sequences”部分，研究人员首先系统阐述了常规ODNP适配bSSFP序列的物理基础与局限。该序列在相位编码和B₁激发期间叠加RF_ODNP脉冲，使样品在超极化阶段建立纵向磁化，并在若干TR后形成稳态回波。但由于bSSFP本身依赖梯度平衡与相位一致性，离共振频移会在奇数倍1/(2·TR)条件下造成破坏性干涉，形成条带伪影。研究人员据此提出bSSFP180序列，在0.25 TR和0.75 TR插入两个180°脉冲，使0.5 TR产生自旋回波、TR处再形成回波并由90°脉冲翻回纵向。该设计与驱动平衡傅里叶变换（DEFT）在结构上存在相似性，但由于末端90°脉冲兼作下一次激发，因而具有不同的稳态信号行为。作者指出，这一改动带来的核心优势在于：信号主要按T₂衰减而非对B₀不均匀高度敏感，允许更长TR，并使序列在超低场慢速采集条件下更实用。

在“2.2 Simulations”部分，研究人员通过Bloch方程仿真比较bSSFP与bSSFP180对离共振的响应。仿真中使用500个自旋组成的自旋系综，赋予其服从正态分布的拉莫尔频率偏移，并将标准差σ作为B₀不均匀性的度量。研究人员在多个TR后提取TR/2时刻的总横向磁化M_⊥，据此建立稳态相位响应曲线，用以解释实验中条带伪影产生与消失的机制。

在“2.3 Hardware and Phantoms”部分，论文说明了实验平台与样品体系。系统采用SQUID磁场传感器取代高场MRI中的法拉第接收线圈，在读出期间尽可能将相关线圈与电流放大器电隔离以降低噪声。静态B₀场由四元线圈产生，B₁由亥姆霍兹线圈提供，三组梯度线圈负责空间编码。超极化使用低通鸟笼型RF_ODNP线圈。实验模体均为约11 mL体积，但内部结构不同，用于验证均一成像、浓度对比和3D结构显示能力。

在“3.1 2D Images”部分，研究人员直接比较了常规bSSFP与bSSFP180在850 μT下的2D成像表现。结果显示，常规bSSFP在TR = 100 ms时已出现明显条带伪影；当TR延长至400 ms时，条带间距减小并导致样品内大范围信号丢失。这说明在该超低场系统中，即使未施加线性梯度，B₀线圈及屏蔽环境固有的不均匀性也足以引发显著离共振伪影。相比之下，bSSFP180在TR = 100 ms与400 ms下均未见可见条带伪影，模体轮廓保持均匀，仅在较长TR时出现与B₁脉冲不完美相关的中心线伪影。该部分结果证明，序列中引入180°重聚焦脉冲后，可显著减弱静态场不均匀所导致的信号空带。

在“3.2 bSSFP Profiles: Measurement Versus Simulation”部分，论文通过一维bSSFP相位响应曲线进一步解释了上述现象。常规bSSFP的模拟曲线再现了经典条带型稳态特征，在? = (2n?1)π附近发生部分信号塌陷，实验测量与仿真在定性上吻合。研究人员以热平衡谱与长时间超极化后FID谱的比较估计最大增强因子E_max，得到拟合值?126，与独立实验值?136及既往文献中的极限值相近，说明仿真参数合理。对bSSFP180而言，无论模拟还是实验结果均表明，横向磁化对累积相位偏移?基本不敏感，说明两个180°脉冲已有效重聚焦离共振相位。实验中残余的轻微?依赖和长TR时的信号下降，被归因于B₁脉冲不完美及未纳入仿真的扩散效应。

在“3.3 Influence of Imperfect B₁-Pulses on the bSSFP180 Sequence”部分，研究人员分析了射频翻转角偏差对改良序列的影响。由于超低场条件下B₁波长远大于样品尺寸，空间B₁不均匀性并不突出，但实验中翻转角仍难以做到理想的90°和180°。仿真表明，当90°与180°脉冲存在偏差时，bSSFP180在某些偏移角区域会出现周期性信号损失，而且该周期性表现为8π而非常规bSSFP中的2π。这一结果说明，改良序列虽然在抗B₀不均匀方面显著增强，但对B₁脉冲精度仍有一定要求。

在“3.4 bSSFP180 3D Image”部分，研究人员将bSSFP180扩展至3D成像，通过增加额外相位编码梯度，获得了不同TEMPO浓度腔室模体及九腔室互连模体的3D重建图像。结果中未见条带伪影，说明该序列的鲁棒性并不限于2D采集。图像边缘沿读出梯度方向的信号下降，主要归因于SQUID探测器拾取线圈的灵敏度分布，而非序列本身失稳。作者同时指出，在所用梯度和RF_ODNP带宽条件下，超极化激发仍可覆盖整个样品。

讨论部分强调，本研究首次在约850 μT的SQUID型超低场MRI系统中实现了bSSFP OMRI，并进一步以bSSFP180克服了常规bSSFP对B₀不均匀性敏感的问题。作者认为，这一序列通过两个180°脉冲将稳态bSSFP的高效率与自旋回波的稳健性结合起来，尤其适合低场、便携式、基于Halbach磁体等易发生温度漂移和场不均匀的系统。与此同时，作者也指出该序列存在超极化占空比下降的问题，因为RF_ODNP作用时间受限于两个180°脉冲之间的时窗，但这一不足可通过提高RF_ODNP幅度在一定程度上补偿。论文还指出，bSSFP180与传统自旋回波（SE）或梯度回波（GRE）型OMRI在信号来源、稳态特性、极化回收方式以及是否适合磁场循环等方面存在根本差异，因此难以做简单的一一量化比较。在对比机制方面，作者指出超低场下T₁与T₂接近，图像对比当前主要反映质子密度，而非不同TEMPO浓度之间的显著差异；未来可探索更长TR条件下T₂贡献增强时的对比潜力。

研究结论部分可译为：bSSFP180序列的发展代表着在低场环境中实现无伪影成像的重要进展。该序列将快速而高效的bSSFP成像优势与自旋回波序列的稳定性、鲁棒性结合起来。随着便携式扫描仪技术和超极化技术的持续进步，这一方法有望为科研和临床场景中更易获得的功能性（functional）及生理敏感性成像开辟新的发展方向。