MRI 带宽与图像质量
引言
在 MRI 中，带宽（Bandwidth）定义为在有限时间内可以传输或接收的频率或波长范围。带宽以每秒周期数或赫兹（Hz）为单位测量。一个 MRI 序列设计有两种类型的带宽：发射器带宽（tBW）和接收器带宽（rBW）。发射器带宽描述发射的射频（RF）脉冲的特性，而接收器带宽描述 MRI 信号的质量。
发射器带宽 (tBW)
发射器带宽指的是在射频脉冲发射期间所使用的带宽。它用于激励一个离散的层厚或容积。脉冲序列可实现的最小层厚与所用射频脉冲类型的发射器带宽直接成正比；换言之，发射器带宽越高，可实现的最小层厚越小。
西门子扫描仪在其大多数序列中提供三种类型的射频脉冲选项：低比吸收率（SAR）选项，采用低带宽脉冲；正常选项，采用中等带宽脉冲；快速选项，采用较高带宽脉冲。
低 SAR (低带宽脉冲)
这是一种低带宽射频脉冲，具有非常好的层面剖面（slice profile），允许层间（切片间）串扰更少。此选项使您能在大多数脉冲序列中选择可能的最小层厚。这种射频脉冲类型会导致较低的 SAR 值。选择此选项可降低序列进入一级（SAR限制）模式的可能性。低 SAR 射频脉冲类型的一个缺点是扫描时间更长，因为最小 TE、TR 和回波间隔（从一个回波到下一个回波的时间）更长。此外，低发射器带宽脉冲类型对磁敏感性和失真伪影更敏感。
正常 (中等带宽脉冲)
这是一种中等带宽射频脉冲，具有良好的层面剖面和优化的 SAR 行为。
快速 (高带宽脉冲)
这是一种高带宽射频脉冲，其层面剖面有所妥协（compromised），与其他模式相比会导致更高的 SAR。这种类型的射频脉冲为用户提供了减少 TE 和 TR 的机会。它具有更短的回波间隔（ES）以及非常轻微的磁敏感性和失真伪影。应注意的是，快速射频脉冲带来周围神经刺激的风险更高。
低发射器带宽的实际应用（低 SAR 模式）
低发射器带宽模式是扫描新生儿和镇静患者时最合适的选择，因为他们无法向操作员提供反馈。扫描孕妇时必须选择低 SAR 模式，以避免任何潜在的射频对胎儿造成伤害。低发射器带宽射频脉冲也可用于扫描带有 MRI 条件性植入物（如 MRI 条件性起搏器和心脏瓣膜）的患者。
高发射器带宽的实际应用（快速模式）
高发射器带宽可有效用于减少幽闭恐惧症患者和移动患者的扫描时间。这种方法将显著降低最小 TR 和 TE 值，使用户能够手动减少 TR 和 TE 值，从而缩短扫描时间。这种方法的主要缺点是缩短 TE 和 TR 通常会导致噪声增加和周围神经刺激的可能性更高。下图说明了如何选择这些选项并展示了操作的结果。
高发射器带宽是扫描有金属植入物区域时最合适的选择。此选项将显著减少磁敏感性和失真伪影。在这些序列期间，必须仔细监测 SAR 水平以避免射频灼伤。以下示例显示了在带有金属牙冠的患者中使用低和高发射器带宽时图像质量的差异。
接收器带宽 (rBW)
接收器带宽指的是在接收射频脉冲期间所使用的频率范围。在接收阶段，读出梯度捕获一个频率频谱，并使用模数转换器（ADC）将其转换为 MR 信号。ADC 测量和记录回波信号幅度所需的持续时间称为驻留时间（Dwell Time, D）。对于一个 256×256 的矩阵，ADC 对信号采样 256 次。
总采样时间 (Ts) = 读出方向矩阵大小 (N) x 驻留时间 (D)
接收器带宽是总采样时间的倒数。接收器带宽的单位是赫兹（Hz）/像素。
带宽 (BW) = 1 / Ts [Hz/像素]
每个制造商对接收器带宽的定义不同。西门子和东芝扫描仪使用每像素的接收器带宽（Hz/像素）。GE 扫描仪使用整个矩阵的带宽，通常以 kHz 为单位测量。飞利浦扫描仪使用水脂位移（Water-Fat Shift, WFS）的像素数来测量带宽。在 1.5T 扫描仪中，脂肪质子与水质子的共振频率差约为 220 Hz，在 3T 扫描仪中，约为 440 Hz。
1.5T 扫描仪中的 WFS = (Hz/像素) / 220 Hz
接收器带宽是您可以在大多数扫描仪上调整的参数之一。带宽和采样时间成反比：增加带宽会缩短采样时间，但会降低信号幅度并增加像素中的噪声水平，导致图像的信噪比（SNR）显著降低。
高接收器带宽 (rBW) 的实际应用
增加接收器带宽可以通过允许更短的 TR 和 TE 来缩短扫描时间。例如，一个带宽为 130、TR 为 600、TE 为 25 的 T1 序列通常采集时间约为 3.30 分钟。然而，使用带宽为 300 的相同序列，您可以将最小 TR 降低至 450，TE 降低至 16，从而将扫描时间从 3.30 分钟减少到 2.10 分钟。此选项对于扫描幽闭恐惧症患者和移动患者特别有用。一个潜在的缺点是，选择更高的带宽会导致信噪比（SNR）的降低。
增加接收器带宽可以作为一种产生更少模糊图像的方法，因为它减少了回波间隔。在快速自旋回波序列（TSE）中，较高的带宽由于回波间隔缩短而增加了涡轮因子（Turbo Factor）。涡轮因子的增加导致 TSE 扫描中脂肪信号更高。
较高接收器带宽的序列在减少金属磁敏感伪影方面也非常有效。植入物周围区域由于强烈的局部失共振（off-resonance）而发生变化，导致场失真。这些场失真的程度取决于金属的大小、形状和特性。在信号处理过程中，这些层面内和穿透层面的失真将图像像素从实际位置移位，导致图像失真。场变化显著的区域将导致信号 voids 并在图像中显示为黑色区域。相反，信号堆积（signal pileup）的区域将显示为非常亮的区域。增加带宽减少了层面剖面（slice profile）的穿透层面失真，从而产生失真更小的最终图像。
较高的接收器带宽还能减少化学位移伪影。由于分子结构的差异，脂肪质子的共振频率比水质子大约低 3.3 ppm。脂肪质子的信号在读出方向上总是偏移一定的量。这种现象称为化学位移伪影。偏移的程度取决于磁体的带宽和场强。增加接收器带宽将通过减少脂肪质子的偏移来最小化化学位移伪影。更高的场强会增加化学位移伪影的发生，这在 1.5T 和 3T 扫描仪中常见。
低接收器带宽的实际应用
降低带宽会增加 SNR。此方法可用于在具有非常小视野的高分辨率扫描中提升 SNR，例如颞下颌关节（TMJ）成像。然而，降低带宽会增加 TR、TE 和回波间隔，导致更长的扫描时间以及更高的化学位移失真和磁敏感性伪影的可能性。
较低的接收器带宽将减少最小视野（FOV）。例如，带宽为 250 的序列可提供 130 的最小 FOV，而带宽为 80 的相同序列可将最小 FOV 降低至 90。此选项可在扫描小身体部位时使用，例如 TMJ 和拇指成像。
接收器带宽的调控
带宽是放射技师（Radiographer）可以用来减少扫描时间、增加 SNR 和最小化伪影的主要参数之一。以下部分将演示如何在保持 SNR 的同时调整带宽。为了有效调控带宽，了解其与其他参数的关系至关重要。放射技师可以采用以下技术之一来成功控制带宽。
带宽与分辨率
分辨率和带宽都使用读出梯度。分辨率越高，所需的读出梯度越大。类似地，更高的带宽需要更高的读出梯度。同时增加带宽和分辨率会放大读出梯度的工作负荷，导致 SNR 显著下降并产生颗粒状图像。
如果您打算增加带宽以减少伪影，则有必要通过调整其他参数来补偿降低的 SNR。可以调整以改善 SNR 的关键参数之一是分辨率。例如，考虑一个 FOV 为 200、矩阵为 320×320、带宽为 130 的 T1 TSE 序列。当将带宽从 130 升级到 500 时，信号将从原始 SNR 的 100% 下降到 49%。为了抵消这种信号减少，您可以将矩阵大小从 320×320 减小到 256×256。此调整将使信号从 49% 提升到 85%，同时还会减少扫描时间。增加的带宽使用户能够进一步减少 TE 和 TR，从而最大限度地减少扫描时间。这是显著减少扫描时间且对质量影响最小的最有效方法之一。在扫描带有金属植入物、幽闭恐惧症或容易移动的患者时，这种方法特别省时。
带宽与平均次数（激励次数 NEX/信号平均次数 NSA）
增加带宽会降低 SNR。提高 SNR 最合适的技术是增加平均次数（NEX/NSA）。例如，考虑一个带宽为 100、2 次平均、相对 SNR 为 100% 的 T1 TSE 序列。当带宽从 100 增加到 250 时，SNR 降低到原始值的 74%。然而，可以通过将平均次数从 2 次增加到 3 次来补偿信号损失。与先前选项相比，此方法产生更高质量的图像。这种方法的缺点是扫描时间显著增加。当时间不是关键因素时，这是最合适的技术。
带宽与视野 (FOV)
增加视野（FOV）将导致更大的像素尺寸。更大的像素可以捕获更多信号并产生高信噪比（SNR）的图像。为了抵消由增加带宽引起的 SNR 损失，用户可以选择增加 FOV。例如，我们考虑一个 FOV 为 200、带宽为 130、相对 SNR 为 100% 的 T1 快速自旋回波（TSE）序列。当您将带宽从 130 增加到 250 时，SNR 下降到 74%。但是，通过将 FOV 从 200 增加到 260，您可以将 SNR 恢复到 100%。需要注意的是，此方法可能会略微降低图像质量，因此当需要高分辨率扫描时（例如垂体窝成像），这不是推荐的方法。
带宽与过采样
增加过采样将增加 SNR 并减少混叠伪影（aliasing artifacts）。此选项可用于在具有高带宽的小视野扫描中增强 SNR，例如前列腺成像。此方法产生卓越的图像质量。这种方法的唯一缺点是扫描时间将会延长。