115年:放射診斷(2)

關於磁振造影成像序列中的相位編碼(phase encoding),下列敘述何者錯誤?

A在成像序列中,相位編碼梯度磁場通常會在切面選擇編碼梯度與頻率編碼梯度兩者之間開啟
B當相位編碼梯度磁場開啟時,沿相位編碼方向上每個不同位置的質子會產生不同的旋進頻率(即相位差)
C當相位編碼梯度磁場關閉後,沿相位編碼方向上每個不同位置的質子間之相位差就馬上消失
D在成像序列中,相位編碼梯度改變的次數決定影像中相位編碼方向的個數(number of phase-encoding steps)

詳細解析

本題觀念

磁振造影(magnetic resonance imaging, MRI)的空間編碼,是把核磁共振訊號中的位置資訊轉換成可重建的影像。相位編碼梯度不是一直維持,而是在每次脈衝序列中短暫施加,讓相位編碼方向上不同位置的自旋得到不同的頻率偏移,並在這段時間內累積不同的相位。梯度關閉後,頻率差停止繼續增加,但已經形成的相對相位仍被保留,這個區別正是判斷本題的關鍵。

選項分析

  • A:正確。 一次典型的 MRI 成像序列,先以切面選擇梯度搭配射頻脈衝決定切面,再施加相位編碼梯度,接著以頻率編碼(讀出)梯度收集訊號。不同序列的精確時序可能調整,但相位編碼通常位在切面選擇與頻率編碼之間;這也是「先暫時標記一個方向的相位,再於讀出時取得訊號」的基本安排。

  • B:正確。 相位編碼梯度造成沿相位編碼方向的磁場強度隨位置改變,因此不同位置的質子在梯度開啟期間具有不同的拉莫爾旋進頻率。只要作用時間不相同,這些頻率差就會累積成位置相關的相位差。嚴格區分時,「頻率差」是梯度作用期間的原因,「相位差」是隨時間累積的結果;選項用括號把兩者連在一起,所要表達的相位編碼機制仍然正確。

  • C:錯誤。 相位編碼梯度關閉,只代表額外的頻率差不再持續產生。梯度開啟期間已累積的相位偏移不會因此立刻歸零,各位置自旋之間仍保有相對相位,之後才能把這項位置資訊帶入訊號與 k-space(空間頻率域)取樣。若相位差真的在梯度一關閉就消失,後續便無法利用相位來辨認位置。

  • D:正確。 每次序列重複時,會改變相位編碼梯度的幅度或極性,使訊號落在不同的 k-space 相位方向位置。這些不同設定所取得的資料線數,就是相位編碼步驟(phase-encoding steps)的數目;相位編碼梯度改變的次數與影像中相位方向的取樣數直接相關。步驟增加通常可取得更完整的相位方向空間資訊,但也會拉長掃描時間。

答案解析

本題採公告答案 C。相位編碼的核心不是在梯度關閉後維持頻率差,而是利用梯度作用期間產生的頻率差,讓不同位置的自旋累積可辨識的相位差。當梯度撤除,所有位置的旋進頻率可回到原本條件,然而先前累積的相位角不會自動消失。這個保留的相對相位會在後續讀出與 k-space 填入過程中提供位置編碼,因此「梯度關閉後相位差馬上消失」把頻率差停止與相位差消除混為一談。

可以用簡化的關係理解:相位差約等於頻率差乘上作用時間。梯度存在時,位置不同造成頻率差;經過一段時間後,頻率差積分成相位差。梯度關閉後,新增的相位差不再由這個梯度累積,但既有的相位差仍是訊號的一部分,直到其他磁場不均勻、去相位或後續脈衝改變它。

核心知識點

  1. 切面選擇編碼用於選定影像切面;相位編碼在指定方向暫時施加梯度,使位置不同的自旋產生不同相位;頻率編碼在讀出期間以頻率差辨識另一個方向。三者共同完成二維空間定位。
  2. 相位編碼梯度的即時效應是位置相關的頻率差;經過有限時間後形成位置相關的相位差。記住「頻率差停止,不等於相位差歸零」。
  3. 相位編碼梯度每次以不同幅度或極性重複施加,對應不同的 ky 位置;取樣線數決定 phase-encoding steps,也會影響空間解析度與掃描時間。
  4. 看到「梯度關閉後相位差立即消失」時要特別小心。除非另有去相位、重聚焦或重置磁化的機制,單純關閉梯度不會把已累積的相位差清除。

參考資料

  1. Cardiovascular magnetic resonance physics for clinicians: part I
  2. Spatial Encoding — Principles of MRI
  3. Physics of magnetic resonance imaging
  4. The Basics of MRI, Chapter 7