Pojęcie relaksacji w obrazowaniu MR

Transkrypt

1 Rozdział 3 Pojęcie relaksacji w obrazowaniu MR Pojęcie relaksacji i jego związek z obrazowaniem MR W drugim rozdziale dowiedzieliśmy się, że sygnał MR tworzony jest przez impulsy RF i kodowanie przestrzenne z gradientami. Jednakże ciągle pozostaje ważne pytanie. Co dzieje się z sygnałem MR, gdy odchylimy go do płaszczyzny poprzecznej? To pytanie jest bardzo ważne i możemy na nie odpowiedzieć jedynie za pomocą pojęcia relaksacji. Dlatego też w tym rozdziale przyjrzymy się temu pojęciu i zobaczymy w jaki sposób kontrast T1 i T2 powiązany jest z relaksacją tkanek. Relaksacje T1 i T2 to dwa główne pojęcia, które musimy znać. Relaksacja T1 może być w uproszczeniu definiowana jako czas potrzebny protonom wody na powrót do stanu początkowego po zastosowaniu impulsu RF 90 o. Relaksacja T1 w dużej mierze zależy od interakcji protonów z ich środowiskiem (oddziaływanie spin-sieć). Relaksacje T2 można opisać jako czas do utraty spoistości (koherencji) między spinami, jako że oddziałują na siebie wzajemnie (oddziaływanie spin-spin). Przyjrzyjmy się im dokładniej dla lepszego zrozumienia. Relaksacja T1 Powróćmy do Ryciny 2.6 i rozważmy zastosowanie typowego impulsu RF 90 o. Impuls RF 90 o odchyli wektor magnetyzacji M z z osi Z aż do płaszczyzny poprzecznej lub osi XY. W tym momencie wyłączamy impuls RF, w przeciwnym razie zakończy się to większym, ponad 90 o kątem odchylenia. Co się wtedy stanie? Przypomnijmy sobie przykład pływaków w rzece o silnym nurcie z drugiego rozdziału. Jeżeli pływacy (w tym wypadku spiny) płyną z nurtem rzeki (B 0 ), będą oni poruszać się spokojnie. Gdy rzucimy linę i zaczniemy przyciągać ich do brzegu rzeki (płaszczyzna poprzeczna), zaczną się, dzięki linie (impuls RF), do niego zbliżać. Jednakże, kiedy puścimy linę, będą oni odpływać od brzegu z powrotem w stronę silnego nurtu. Jak długo zajmie im powrót do 25

2 26 podstawowe zasady mr początkowego etapu pływania (przed impulsem RF) w dużej mierze zależy od struktury brzegu rzeki, głębokości wody, ich siły i nurtu rzeki (pływaków i ich otoczenia). Bardzo podobnie do tego przykładu, wszystkie spiny odchylone do płaszczyzny XY za pomocą impulsu RF powrócą do swojego pierwotnego stanu po określonym czasie, w zależności od ich oddziaływania ze swoim otoczeniem. Na przykład spiny w tłuszczu powracają do swojego pierwotnego stanu bardzo szybko. Jednakże, spiny w płynach takich jak płyn mózgowo-rdzeniowy potrzebują więcej czasu niż spiny tłuszczu by powrócić do swojego stanu pierwotnego (prawie 10 razy dłużej). Czas wymagany dla spinów na (relaksację) powrót do swojego stanu pierwotnego jest opisany jako wymiana energii pomiędzy spinami a ich otoczeniem (siecią). Tak więc, relaksacja T1 zdefiniowana jest jako czas potrzebny protonom do powrotu do ich stanu początkowego w osi Z (Ryc. 3.1). Krzywa relaksacji T1 Gdy impuls RF 90 o zastosowany w naszych spinach zrówna się z B 0 w osi Z, M z Całkowita staje się zerowa. Jednakże, powraca ona do swojej pierwotnej wartości w stosunkowo szybkim czasie, zwanym czasem relaksacji T1. Czas T1 będzie inny dla każdego rodzaju tkanki w naszym ciele z powodu ich różnej budowy. Jako fizyk MR lub czytelnik, jeśli posiadasz kilka kluczowych parametrów, możesz w łatwy sposób stworzyć wykres czasu relaksacji T1. Przykładowa krzywa czasu relaksacji T1 dla różnych typów tkanek pokazana jest na Rycinach. 3.2a i b. W mózgu dwa najbardziej popularne typy tkanek, istota szara i istota biała, łączą pewne podobieństwa, a ich krzywe relaksacji T1 również wyglądają nieco podobnie, Rycina 3.2a. Z drugiej strony, jak pokazano na Rycinie 3.2b, istota biała i płyn mózgowo-rdzeniowy są całkowicie odmiennymi tkankami i krzywa relaksacji T1 także wykazuje znaczącą różnicę,. Z wykresów tych możemy także odczytać to, który wybór TR może dać największą różnicę pomiędzy różnymi rodzajami tkanek. Prawie słyszę jak teraz zadajesz pytanie: Jak określimy te krzywe i co one oznaczają? W MR możemy zmierzyć niektóre kluczowe parametry tkanki, takie jak czas relaksacji T1 i T2. Możemy również przedstawić lub sformułować sygnał MR we względnie prostych równaniach. Równanie (3.1) ukazuje wzór sygnału MR dla sekwencji echa spinowego. W sekwencji tej obserwujemy swoiste parametry tkanki, takie jak gęstość protonów, czas relaksacji T1 i czas relaksacji T2. Dostrzegamy także parametry określane przez użytkownika takie jak TR I TE. Sygnał MR PD * [1-e -TR/T1 ]* e -TE/T2, Składowa T1 } Składowa T2 (3.1)

3 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 27 a b c d Rycina 3.1 Wektor magnetyzacji (M z całkowita ) całkowicie odchylony do płaszczyzny poprzecznej, impuls RF 90 zostaje wyłączony (a) i zaczyna relaksację powrotną do stanu pierwotnego, w czasie, jak ukazano w punktach b d. gdzie PD: Gęstość protonu tkanki T1: Wartość T1 tkanki T2: Wartość T2 tkanki TR: Zdefiniowany przez użytkownika parametr nazywany czasem repetycji TE: zdefiniowany przez użytkownika parametr zwany czasem echa W tym równaniu możemy, jak widać powyżej, niemalże oddzielić efekt T1 i efekt T2. Jeśli w jakiś sposób będziemy mogli usunąć efekt T2 z sygnału MR, będziemy mogli zmierzyć sygnał MR zależny jedynie od efektu T1 lub od zależności. Z drugiej strony, jeśli będziemy mogli usunąć efekt T1 sygnału MR, będziemy mogli zmierzyć sygnał MR zależny jedynie od efektu lub zależności T2. Jeśli w jakiś sposób będziemy w stanie wyeliminować efekt T1 i T2, będziemy mogli zmierzyć sygnał MR zależny jedynie od efektu PD. Powinno nam to dać pewne wskazówki co do tego, jak uzyskać obrazy MR T1-zależne, T2-zależne lub PD-zależne. Pozwolę sobie rozwinąć to o czym piszę. W równaniu tym, składowa T2 sygnału MR określona jest przez prostą funkcję wykładniczą, e TE/T2. Jeśli wybierzesz bardzo krótki czas echa (TE)

4 28 podstawowe zasady mr a B 0 Krzywa relaksacji T1 dla istoty białej i szarej Magnetyzacja (M z ) istota biała istota szara TR = 800 ms, max kontrastowość TR (milisekundy) b B 0 Krzywa relaksacji T1 dla istoty białej i płynu mózgowo-rdzeniowego istota biała Magnetyzacja (M z ) płyn mózgowo-rdzeniowy TR = 1257 ms, max kontrastowość TR (milisekundy) Rycina 3.2 Kiedy pobudzający impuls RF zostaje wyłączony, magnetyzacja tkanki powraca do stanu pierwotnego w czasie swoistym dla niej. Owa zmiana magnetyzacji może być obliczona i określona dla różnych typów tkanek, tak jak ukazano powyżej dla istoty szarej i białej (a) oraz istoty białej i płynu mózgowo-rdzeniowego (b).

5 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 29 (o wiele krótszy niż T2 interesującej nas tkanki), taki jak 10 ms, możesz ustanowić e TE/T2 bardzo blisko 1 i w zasadzie wyeliminować tę składową (efekt T2 sygnału MR). Następnie, Rycina 3.2, możesz sporządzić taki sam wzór jak równanie T1-zależne. Sygnał MR T1-zależny PD * [1-e -TR/T1 ], (3.2) Gdzie PD: Gęstość protonu tkanki T1: Wartość T1 tkanki TR:: Zdefiniowany przez użytkownika parametr nazywany czasem repetycji Jak widać, równanie to nie zależy od wartości T2 i z tego powodu nie ma efektu T2. Tym prostym równaniem możemy obliczyć i określić zachowanie się T1 tkanek w taki sposób jak ukazano powyżej. Krzywe T1 przedstawione na Rycinie 3.2 mogą być określone równaniem (3.2) wykorzystując proste programy takie jak excel i możemy nawet obliczyć optymalny czas TR, który może wskazać maksymalny kontrast T1 pomiędzy różnymi rodzajami tkanek. Definicja i pomiar czasu T1 W poprzednich działach dowiedzieliśmy się, że wartość T1 związana jest z czasem potrzebnym magnetyzacji Z do powrotu do stanu pierwotnego. W fizyce MR, czas T1 opisywany jest jako czas potrzebny magnetyzacji M z (magnetyzacja Z) do powrotu do 63% swojej początkowej (pierwotnej) wartości. Powrót do początkowej wartości magnetyzacji Z występuje gdy spiny zaczynają przekazywać swoją energię z powrotem do otoczenia (sieci). W ten sposób, relaksacja T1 jest także nazywana relaksacją spin-sieć, a także relaksacją podłużną (oś Z). Proszę zauważyć, że powrót magnetyzacji do wartości pierwotnej będzie wykresem wykładniczym po prostu ze względu na to, że jej podstawa fizyczna jest funkcją wykładniczą podaną w równaniu (3.2). Zdefiniowaliśmy czas T1 dla tkanki, ale jak go zmierzyć? Jak widać na Rycinie 3.3, podana tkanka w tym przykładzie osiągnęła swoją pierwotną wartość 1.0 (Mz) w 3100 ms. Aby zmierzyć czas T1, musimy spojrzeć na to ile czasu minęło aby magnetyzacja Z osiągnęła 63% swojej pierwotnej wartości. Na osi Y znajdujemy 0,63 (63% z 1.0) i widzimy, że aby osiągnąć 0,63 minęło 750 ms po pobudzającym impulsie RF. BINGO! Dla tej przykładowej tkanki czas T1 wynosi 750 ms. Teoretycznie, wielokrotnie mierząc sygnał MR w różnych czasach TR możecie z łatwością przeprowadzić prosty eksperyment na fantomie i wykreślić

6 30 podstawowe zasady mr Pomiar czasu relaksacji T1 Magnetyzacja (M z ) 63% T1 określony jako 750 ms Maksymalna Mz osiągnięta przy TR 3100 ms. TR (milisekundy) Rycina 3.3 Czas relaksacji T1 określa się jako czas wymagany dla magnetyzacji Z do osiągnięcia 63% swojej pierwotnej wartości. Czasy wymagane dla magnetyzacji Z do osiągnięcia swojej pierwotnej wartości i wartości 63% ukazane są powyżej. sygnał MR bardzo zbliżony do tego przedstawionego na Rycinie 3.3. Potem możecie doświadczalnie zmierzyć wartość T1 fantomu lub w zasadzie każdej innej tkanki. Jednakże, w praktyce stosujemy sekwencję impulsów odwracających z ustalonym czasem TR. Tworzymy wykres, zmieniając czas inwersji (Time of Inversion, TI), a potem mierzymy wartość T1 (czas relaksacji T1 tkanki). Pamiętaj, że każda tkanka ma inny czas T1, a to umożliwia nam dostrzeżenie różnych rodzajów tkanek w obrazie T1-zależnym. Obrazowanie T1-zależne (kontrast T1) Kiedy dokładnie przyglądamy się Rycinie 3.2, łatwo zdajemy sobie sprawę z tego, że jeśli chcemy dostrzec różnicę pomiędzy różnymi rodzajami tkanek, musimy wybrać względnie krótszy czas TR. Dla przykładu, jeśli chcemy uzyskać dobry kontrast pomiędzy istotą szarą a białą, powinniśmy wybrać TR gdzieś około 800 ms, a nie 3000 ms, ponieważ przy czasie TR 3000 ms, sygnał z istoty białej i szarej staje się właściwie identyczny i nie możemy dostrzec żadnej różnicy. Proszę zauważyć, że optymalny czas TR wynoszący 800 ms obliczony jest ze wzoru (3.2) posługując się podanym w piśmiennictwie czasem relaksacji T1 dla 1,5 T. Gdybyśmy jednakże, z jakichś nieznanych powodów, chcieli kiedykolwiek dostrzec większy kontrast pomiędzy istotą biała a płynem mózgowo-rdzeniowym, czas TR powinien wtedy wynosić około 1275 ms. Wobec tego czas TR jest wysoce istotnym parametrem w tworzeniu dobrego T1-zależnego obrazowania w prostej sekwencji echa spinowego. W bardziej

7 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 31 złożonych szybkich i ultraszybkich sekwencjach, kąt odchylenia również staje się dodatkowym parametrem wpływającym na zależność T1 na obrazie. Jak widać w Tabeli 3.1 posiadamy całkiem wiele odmiennych rodzajów tkanek, a także wiele patologii z różnymi czasami relaksacji T1. Biorąc pod uwagę, że w mózgu wartości T1 dla większości tkanek wahają się pomiędzy 100 a 1000 ms, polecamy wykorzystanie czasu TR gdzieś pomiędzy 400 a 800 ms w 1,5 T. W dalszych rozdziałach książki w każdym protokole podany jest także dokładny wybór czasu TR, po to aby czytelnicy mogli mieć wartość referencyjną TR optymalizującą zależność T1 z doskonałym kontrastem i zadowalającymi lub możliwymi do przyjęcia czasami skanowania. Na Rycinie 3.4 widać typowy T1-zależny obraz uzyskany za pomocą sekwencji szybkiego echa spinowego. W obrazowaniu T1-zależnym występuje prosta zasada, którą powinniśmy zapamiętać: Sygnał tkanki w obrazowaniu T1-zależnym jest odwrotnie proporcjonalny do swojego czasu relaksacji T1. To proste stwierdzenie wynika z faktu, że wartość 1-e -TR/T1 w równaniu (3.2) będzie mała dla tkanki z wysoką wartością T1 (płyn mózgowo-rdzeniowy) i całkiem duża dla tkanki z niską wartością T1 (tłuszcz). Z łatwością możemy to potwierdzić na podstawie obrazowania T1-zależnego, gdzie dostrzec można hiperintensywny sygnał tkanki tłuszczowej i hipointensywny sygnał płynu mózgowo-rdzeniowego. Relaksacja T2 Mam nadzieję, że nauczyliście się czym jest relaksacja T1 i jak ją zmierzyć. Teraz nastał czas, aby przyjrzeć się relaksacji T2 i jej wielkiemu znaczeniu w obrazowaniu MR. Załóżmy raz jeszcze, że zastosowaliśmy pobudzający impuls RF 90 o i odchyliliśmy magnetyzację M z do płaszczyzny XY, Rycina 2.6. Impuls pobudzający zostanie wyłączony dokładnie wtedy, gdy spin zostanie odchylony do płaszczyzny XY. Jak pamiętamy z relaksacji T1, spiny zaczną powracać do swojego stanu pierwotnego w osi Z jak tylko wyłączymy impuls RF. Na tym etapie, wszystkie spiny, niczym ogromna grupa ludzi (koherencja) obracają się, poruszają z tą samą prędkością (częstotliwość Larmora) w płaszczyźnie XY. Jednakże, z czasem spiny zaczynają poruszać się z odrobinę odmienną prędkością i koherencja zanika. By zrozumieć zachowanie spinów, możemy przeanalizować biegaczy w maratonie. Wszyscy biegacze po sygnale startu zaczną jednocześnie biec i wyglądać będą na spójną grupę. Po krótkiej chwili niektórzy z nich zwolnią żeby nie wpaść na innych biegaczy (spiny) w pobliżu, bo się zmęczyli, lub biegną wolniej niż inni. Po jednej godzinie, bądź więcej dostrzeżesz, że biegacze są bardzo rozproszeni. Podobnie do tego przykładu, spiny w płaszczyźnie XY zaczynają tracić spójność z racji tego, że obracają się z nieco odmiennymi prędkościami uzależnionymi od tego w jakim

8 32 podstawowe zasady mr Tabela 3.1 Natężenia sygnału MR, zakres parametrów dla obrazowania T1,T2 i PD-zależnego dla wybranych tkanek mózgu. Dla sekwencji impulsów echa spinowego Zakres TR Zakres TE Natężenie sygnału MR Obrazowanie T2-zależne Dłuższe niż 2000 ms ms Płyn mózgowo-rdzeniowy: bardzo jasne Istota szara: jasne Istota biała: ciemniejsze Tłuszcz: najciemniejsze (jasne w sekwencjach FSE) Obrazowanie T1-zależne ms przy 3T minimalne ms przy 1,5T ms przy 1,0 T ms przy 0,2T Płyn mózgowo-rdzeniowy: najciemniejsze Istota szara: ciemniejsze Istota biała: jasne Tłuszcz: najjaśniejsze Obrazowanie PD-zależne Dłuższe niż 2000 ms minimalne Płyn mózgowo-rdzeniowy: bardzo jasne Istota szara: jasne Istota biała: ciemniejsze Tłuszcz: najciemniejsze

9 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 33 Rycina 3.4 Przedstawiono typowe T1-zależne obrazowanie oparte na szybkim echu spinowym. rodzaju tkanki są umiejscowione i od tego, że doświadczają nieco innego pola magnetycznego. Zanik spójności od czasu 0 (a) do 100 ms (d) przedstawia Rycina 3.5. Przy zerowym czasie otrzymamy maksymalny sygnał MR. Zwiększając go będziemy uzyskiwać coraz mniejszy sygnał z powodu działania obu relaksacji T1 i T2. Krzywa relaksacji T2. Jeśli umieścimy cewkę i zmierzymy sygnał przez zastosowanie pobudzającego impulsu RF 90 o, zauważymy sygnał wykładniczo malejący, który nazywany jest sygnałem swobodnej precesji (free induction decay, FID). Sygnał FID wyglądać będzie jak sygnał wykładniczo malejący przedstawiony na Rycinie 3.6. Jeżeli chcemy uzyskać obraz T2-zależny, musimy w jakiś sposób wyeliminować składową T1 sygnału MR ujętą w równaniu (3.1). Prostym sposobem na dokonanie tego jest wybranie długiego TR. Z dłuższym TR (większym niż 2000 ms), składowa T1 sygnału MR (1- e-tr/t1 ) będzie bardzo bliska 1,0. Wobec tego, nie będzie miała prawie żadnego wpływu na powstały sygnał MR. Im dłuższy jest zastosowany TR, tym mniejszy będzie efekt T1. Zakładając dłuższy TR, możemy przerobić sygnał MR dla zwykłej sekwencji echa spinowego,

10 34 podstawowe zasady mr a b Mxy Całkowita Mxy Całkowita c (t = 0, Impuls RF wyłączony) (t = 15 ms) d Mxy Całkowita Mxy Całkowita = 0 (t = 30 ms) (t = 100 ms) Rycina 3.5 Stosując pobudzający impuls RF, magnetyzacja Z jest odchylona do płaszczyzny XY (a) i wytwarza koherentny sygnał. Z czasem koherencja zanika, jak ukazano w punktach b d. Krzywa rozpadu T2 dla istoty białej i szarej Sygnał MR (M 0 ) istota szarate = 100 ms, max kontrast istota biała TE (milisekundy) Rycina 3.6 Krzywa relaksacji T2 dla istoty szarej i istoty białej powstała przy użyciu wzoru (3.3)

11 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 35 jak widać we wzorze (3.3), i będzie to jedynie działanie zdefiniowania czasu echa TE, przez użytkownika, jak ukazano poniżej. Sygnał MR T2-zależny PD* e -TE/T2, (3.3) Składowa T2 Gdzie PD: Gęstość protonu tkanki T2: Wartość T2 tkanki TE: Zdefiniowany przez użytkownika parametr zwany czasem echa Według tego prostego wzoru możemy obliczyć i wykreślić krzywą relaksacji T2 Rycina 3.6 (dla istoty szarej i białej) i Rycina 3.7 (dla płynu mózgowo-rdzeniowego i istoty białej). Na podstawie tej krzywej możemy nawet obliczyć optymalną wartość TE, aby uzyskać największy kontrast pomiędzy różnymi tkankami. Na przykład, stosując TR o wartości 5000 ms oraz wartości PD, T1 i T2 podane w literaturze dla 1,5 T dla istoty szarej i białej, możemy za pomocą zwykłego oprogramowania obliczyć sygnał MR stosując wzór (3.3) dla czasów TE wahających się od 1 do 500 ms. Potem, poprzez samo obserwowanie różnicy sygnału MR przy każdym czasie TE, możemy obliczyć optymalne czasy TE skutkujące największym kontrastem pomiędzy istotą szarą a białą. Kiedy dokonałem tej kalkulacji, korzystając z wartości referencyjnych T1 i T2 uwzględnionych w Tabeli 3.1, uznałem 100 ms jako optymalną wartość T1 Krzywa rozpadu T2 dla istoty białej i płynu mózgowo-rdzeniowego Sygnał MR (M 0 ) istota biała płyn mózgowo-rdzeniowy TE = 178 ms, max kontrast TE (milisekundy) Rycina 3.7 Krzywa relaksacji T2 dla płynu mózgowo-rdzeniowego i istoty białej powstała przy użyciu wzoru (3.3)

12 36 podstawowe zasady mr maksymalnie zwiększającą kontrast pomiędzy tymi dwoma typami tkanek. Jednakże, w literaturze występuje niejako szeroki zakres mierzonych wartości T1 i T2; tak więc, kalkulacja ta powinno być traktowana jedynie jako teoria i może być uzasadniona jedynie dla sekwencji impulsów typu echa spinowego. Sekwencje impulsów echa gradientowego, a także ultraszybkie sekwencje impulsów posiadają różne typy sygnału MR i wzór ten nie jest wobec nich stosowany w dokładnie tej samej formie. Jednakowoż, powyższe zasadnicze omówienie ma na celu ukazać czytelnikom podstawowe zasady mechanizmów zależności kontrastowej i optymalizacji sygnału MR różnych typów tkanek. Definicja i pomiar czasu T2 Czas T2 definiowany jest jako czas wymagany dla poprzecznej magnetyzacji MR (sygnału MR), M xy do osiągnięcia 37% swojej wartości początkowej. Ponieważ zanik magnetyzacji poprzecznej (zanik T2) występuje ze względu na współdziałanie ze sobą spinów, jest to także czas relaksacji spin-spin. Odmiennie do krzywej relaksacji T1, krzywa relaksacji T2 będzie, jak widać na Rycinie 3.8, funkcją wykładniczo malejącą. Wykorzystując wzór (3.3), możemy w łatwy sposób modyfikować czas TE od zera do kilku tysięcy milisekund i dokładnie określić czas TE skutkujący 37% początkowego sygnału (Ryc. 3.8). Na tym przykładzie obliczamy wartość T2 istoty białej w mózgu jako 92 ms. W praktyce możemy również zmie- Pomiar czasu relaksacji T2 istoty białej Sygnał MR (M xy ) 37% maksymalnego sugnału MR istota biała TE (milisekundy) Rycina 3.8. Krzywa zaniku wykładniczego i 37% pierwotnej magnetyzacji w płaszczyźnie poprzecznej dla pomiaru T2.

13 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 37 rzyć wartość T2 każdej tkanki wybierając minimalnie 3 lub 4 różne czasy TE i dopasowując powstałe natężenia sygnału do funkcji wykładniczej. Jednakże, czasy TE powinny być dobrane rozsądnie do rodzaju tkanki i dla lepszej dokładności powinno się użyć większej liczby czasów echa. Obrazowanie T2-zależne (kontrast T2) Gdy dokładnie przyjrzymy się Rycinie. 3.9, szybko zdamy sobie sprawę, że jeśli chcemy dostrzec różnicę pomiędzy różnymi rodzajami tkanek, musimy wybrać długi czas TR (dłuższy niż 2000 ms) i właściwy czas TE. Aby uzyskać akceptowalny kontrast T2, odpowiedni czas TE będzie tutaj dłuższy niż 85 ms. Jak zapewne pamiętacie odbyliśmy krótką dyskusję na temat obliczania optymalnego czasu TE zapewniającego najlepszy kontrast pomiędzy istotą szarą a białą wykorzystując wzór (3.3). Odkryliśmy, że czas TE wynoszący 100 ms zapewnia optymalny kontrast pomiędzy istotą szarą a białą, bazując na doborze TR i czasów relaksacji T1 i T2 podanych w Tabeli 3.2. Ze znanych tylko nam powodów, jeśli chcielibyśmy uzyskać maksymalny kontrast T2 pomiędzy istotą białą a płynem mózgowo-rdzeniowym, podobne obliczenie informuje nas, że czas TE wynoszący 178 ms będzie znowu optymalnym wyborem przy 1,5 T. Oczywiście, nie możemy i nie powinniśmy próbować obliczać najlepszy TE Rycina 3.9 Typowe T2-zależne obrazowanie mózgu.

14 38 podstawowe zasady mr Tabela 3.2 Wybrane czasy relaksacji T1 i T2 różnych tkanek przy 0,2 i 1,5 T. T1 w ms (0,2 T) T1 w ms (1,5 T) T2 w ms Mózg Istota szara Istota biała Guz Oponiak Glejak Odma Kość Szpik kostny Kostniakomięsak Piersi Tkanka włóknista Tkanka tłuszczowa Guzy piersi Nowotwory Rak gruczołowy Nerka Prawidłowa tkanka Guzy Wątroba Prawidłowa tkanka Guzy Wątrobiak Marskość wątroby Mięsień Prawidłowa tkanka Guzy Rak Włókniakomięsak Trzustka Prawidłowa tkanka

15 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 39 dla każdego skanu. Jednakże, musimy pamiętać, że wybór optymalnego TE będzie zróżnicowany dla interesującego nas obszaru anatomicznego i powinniśmy w skanowaniu klinicznym zastosować zalecony zakres czasów TE. Dla prostego przykładu, czas TE w rutynowym obrazowaniu mózgu może wahać się od 85 do 130 ms, podczas gdy dla badania MRCP (dróg żółciowych) może wahać się od 500 do 1000 ms. W obrazie T2-zależnym występuje prosta zasada, którą powinniśmy zapamiętać: sygnał tkanki na obrazie T2-zależnym jest proporcjonalny do swojego czasu relaksacji T2. To proste stwierdzenie wynika z faktu, że wartość ze wzoru (3.3) e -TE/T2 będzie duża dla tkanki z wysoką wartością T2 (np. płyn mózgowo-rdzeniowy) i całkiem niewielka dla tkanki z niską wartością T2 (np. tłuszcz). Możemy z łatwością potwierdzić ten fakt na podstawie obrazowania T2-zależnego poprzez przypatrywanie się hiperintensywnemu sygnałowi płynu mózgowo-rdzeniowemu i hipointensywnemu sygnałowi tłuszczu. Proszę zauważyć, że obrazowanie T2 sekwencjami typu FSE i TSE skutkuje hiperintensywnym sygnałem tłuszczu poprzez zjawisko które nazywamy efektem J-coupling (jądrowa stała sprzężenia spinowo-spinowego). Wielokrotne echa w tychże sekwencjach przywracają sygnał tkanki tłuszczowej i tłuszcz wygląda nieco jaśniej niż powinien w rutynowym obrazowaniu T2, Rycina 3.9. Prosta eksperymentalna metoda dla kontrastu T2 Jest to raczej nietrudne by wyobrazić sobie efekt czasu relaksacji T2 i zmiany kontrastu T2 w rutynowych skanerach klinicznych. Zasadniczo musicie wybrać protokół T2 ze swojej listy i dopasować czas TE w określonym zakresie. Na przykładzie ukazanym poniżej, czasy TE wahają się od 12,6 do 100 ms z przybliżonym przyrostem 13 ms na każdym obrazie (Ryc. 3.10). Sekwencja z długim czasem TR oraz zróżnicowanymi czasami TE może być wykorzystana do zmierzenia czasów relaksacji T2 tkanek w ciele. W warunkach klinicznych da się to zrobić z łatwością za pomocą prostych sekwencji T2-zależnych. Jednakże, większość nowych skanerów może łączyć obrazowanie równoległe z sekwencjami wielokrotnego echa, aby zmniejszyć czas skanowania takiej akwizycji z 20 do 3 4 min, tak jak to zaprezentowano na tym przykładzie. Na podstawie pojedynczego zestawu obrazów, Rycina 3.11, można stworzyć krzywe relaksacji T2 dla istoty szarej i białej bardzo podobne do tych na Rycinie 3.6. Jak niektórzy z was lub miejmy nadzieję wszyscy mogą się domyślać, na podstawie Ryciny 3.11 jesteśmy w stanie eksperymentalnie zmierzyć prawdziwy czas relaksacji T2 tkanek dopasowując krzywe T2 do funkcji wykładniczej. Jeśli dokonamy tego dla całego obrazu, możemy stworzyć mapę T2

16 40 podstawowe zasady mr Rycina 3.10 Obrazy FSE z długim TR z czasami echa wahającymi się od 12,6 do 100 ms. Proszę zwrócić uwagę na przejście z kontrastu PD do kontrastu T2 z wzrastającymi czasami TE. Sygnał MR Krzywe doświadczalne T2 istoty szarej i białej ludzkiego mózgu istota szara istota biała TE (milisekundy) Rycina 3.11 Krzywe relaksacji T2 przedstawione dla istoty szarej i białej, na podstawie prostego doświadczalnego protokołu uzyskanego na MR. mózgu. Obraz mapy T2 poniżej najzwyczajniej ukazuje prawdziwe czasy relaksacji T2 tkanek. Dla przykładu, dla interesujących nas obszarów istoty białej i szarej, zaznaczonych na Rycinie 3.11, możemy zmierzyć czasy relaksacji T2 z wynikiem 85 i 106 ms, odpowiednio dla istoty białej i istoty szarej (Ryc. 3.12). Mapa T2 wygląda całkiem interesująco i zgodnie z oczekiwaniami, podobnie do obrazu T2-zależnego. Ponieważ zależność T2 jest wprost proporcjo-

17 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 41 Rycina 3.12 Obliczona doświadczalnie mapa T2 mózgu. nalna do czasów relaksacji T2 tkanki, wartości T2 istoty białej wyglądają hipointensywnie w porównaniu z istotą szarą i płynem mózgowo-rdzeniowym. Jest to doskonały przykład zastosowania teoretycznych podstaw tego o czym dowiedzieliśmy się do tej pory w prostych praktycznych przypadkach w celu zyskania lepszego wyczucia i zrozumienia fundamentalnych pojęć MR. Relaksacja T2* Czas relaksacji T2* jest zasadniczo taki sam jak czas relaksacji T2. Jednakże, są pewne różnice, które wymagają większego podkreślenia. Relaksacja T2* zawiera czas relaksacji nazywany T2 jako uzupełnienie do czasu relaksacji T2. Czas relaksacji T2 jest czasem relaksacji wynikającym z niejednorodności pola. Wszelkie sekwencje oparte na echu spinowym, wykluczając niektóre specjalne techniki akwizycji, wytworzą jedynie kontrast T2. Z drugiej strony, sekwencje oparte na echu gradientowym wytworzą jedynie kontrast T2*. T2* jest zawsze mniejszy niż czas relaksacji T2 tkanki. Czas relaksacji T2* definiuje się jako: 1/T2*=1/T2 + 1/T2 lub R2*=R2 + R2. 3.4)

18 42 podstawowe zasady mr W przeciwieństwie do czasu relaksacji T2, czas relaksacji T2* jest zależny od aparatu i pacjenta. Wobec tego, czasy relaksacji T2* mogą być mierzone w zależności od istoty badania danego pacjenta lub dla różnych typów tkanek. Dla przykładu, choroby przejawiające się nadmiarem lub niedoborem żelaza mogą być wykryte lub obserwowane za pomocą pomiarów czasu relaksacji T2*. W zasadzie trzeba tylko wybrać protokół T2* z dostępnych protokołów oraz dobrać czas TE w określonym zakresie. W przykładzie przedstawionym poniżej, czasy TE wahają się pomiędzy 1,4 do 41,6 ms z przybliżonym przyrostem 2,7 ms na każdym obrazie (Ryc. 3.13). Rycina 3.13 T2*-zależne obrazy z czasami echa wahającymi się od 1,4 do 41,6 ms.

19 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 43 Do zmierzenia czasów relaksacji T2* w tkankach w ciele można wykorzystać zróżnicowane czasy TE. W warunkach klinicznych da się to zrobić z łatwością za pomocą prostych sekwencji T2*-zależnych. Jednakże, większość nowych skanerów może łączyć obrazowanie równoległe z sekwencjami wielokrotnego echa po to, aby zmniejszyć czas skanowania takiej akwizycji z 5 min do sek., tak jak to zaprezentowano na tym przykładzie. Na podstawie pojedynczego zestawu obrazów, jak widać na Rycinie 3.14, można stworzyć krzywe relaksacji T2* dla istoty szarej i białej bardzo podobne do czasów relaksacji T2. Jak już wiecie z poprzedniego działu na temat pomiaru T2, na podstawie Ryciny 3.14 możemy eksperymentalnie zmierzyć prawdziwy czas relaksacji T2* tkanek poprzez dopasowanie krzywych T2* do funkcji wykładniczej. Jeśli dokonamy tego dla całego obrazu, możemy stworzyć mapę T2* mózgu. Obraz mapy T2* najzwyczajniej ukazuje prawdziwe czasy relaksacji T2* tkanek. Dla przykładu, dla interesujących nas obszarów istoty białej i szarej, podświetlonych na Rycinie 3.14, możemy zmierzyć czasy relaksacji T2 określony jako 65 i 75 ms, odpowiednio dla istoty białej i istoty szarej. Proszę zauważyć różnicę relaksacji T2*. Czasy relaksacji T2 i T2* z tych samych obszarów istoty białej i szarej wynoszą 85 ms vs 65 ms i 106 ms vs 75 ms dla tych typów tkanek. Mapa T2* wygląda całkiem interesująco i zgodnie z oczekiwaniami, podobnie do mapy T2. Ponieważ zależność T2* jest także wprost proporcjonalna do czasów relaksacji T2* tkanki, wartości T2* istoty białej wyglądają hipointensywnie w porównaniu z istotą szarą i płynem mózgowo-rdzeniowym. Możesz też zauważyć pewną utratę sygnału w przedniej części mapy T2* Krzywe doświadczalne T2* istoty szarej i białej ludzkiego mózgu Sygnał MR istota szara istota biała TE (milisekundy) Rycina 3.14 Krzywe relaksacji T2* przedstawione dla istoty szarej i białej, na podstawie prostego doświadczalnego protokołu uzyskanego na MR

20 44 podstawowe zasady mr Rycina 3.15 Obliczona (doświadczalnie) mapa T2* mózgu. w porównaniu z mapą T2 mózgu. Jest to charakterystyczne wizualne potwierdzenie wzmożonych efektów podatności dostrzegalnych za pomocą obrazów opartych na echu gradientowym. Przedstawiony przykład jest doskonałym przedstawieniem zastosowania podstawy teoretycznej tego o czym dowiedzieliśmy się do tej pory w prostych praktycznych przypadkach w celu zyskania lepszego wyczucia i zrozumienia fundamentalnych pojęć MR (Ryc. 3.15). Obrazowanie PD-zależne (gęstości protonów) Gęstość protonów (proton density, PD) bądź też gęstość spinowa tkanki jest wprost proporcjonalna do liczby protonów wodoru, czyli do zawartości wody w tkankach. Liczba protonów (gęstość protonów) w tkance będzie niska w tkankach stałych (np. tłuszcz) i wysoka w płynach (np. płyn mózgowo-rdzeniowy). Kiedy omawialiśmy relaksacje T1 i T2, we wszystkich przypadkach, tak jak przedstawiają równania (3.1), (3.2) i (3.3), występował współczynnik gęstości protonów (PD). Spowodowane jest to tym, że PD nie może być wyeliminowana z sygnału MR. Jednakże, możemy prawie całkowicie wyeliminować efekty T1 i T2 z sygnału MR podanego w równaniu (3.1) poprzez wybranie długiego TR (większego niż 2000 ms) i bardzo krótkiego T2 (najmniejszy możliwy czas). Kiedy warunki te są spełnione, składowa T1 i składowa T2 ze wzoru

21 pojęcie relaksacji w obrazowaniu mr 45 Rycina 3.16 Przykładowe PD-zależne obrazowanie mózgu. (3.5) będzie bardzo bliska 1. Tak więc, jak widać we wzorze (3.5), będziemy mieć sygnał MR proporcjonalny jedynie do stężenia wody w gęstości protonu. Nazywamy to obrazowaniem PD-zależnym lub też obrazowaniem kontrastowym PD. W obrazowaniu PD-zależnym, natężenie sygnału MR dla tłuszczu, istoty białej, istoty szarej i płynu mózgowo-rdzeniowego waha się od niższego do wyższego, tak jak to ukazano na prostym obrazowaniu PD-zależnym na Rycinie Sygnał MR PD. (3.5) Przewodnik po parametrach obrazowania T1, T2 i PD-zależnego W tym rozdziale omówiliśmy podstawy obrazowania T1, T2 i PD-zależnego, mechanizmy działania i ich znaczenie w skanowaniu klinicznym. Zwłaszcza dla nowych czytelników MR, podsumowaliśmy nowe zdefiniowane przez użytkownika parametry obrazowania i dla wygody czytelnika, w Tabeli 3.1, względne natężenia sygnałów.

22 46 podstawowe zasady mr Wartości relaksacyjne T1 i T2 w tkankach przy różnych natężeniach pola magnetycznego W tym rozdziale wspomnieliśmy wiele o istotnych parametrach tkanki, a mianowicie o właściwościach T1, T2 i PD. Jednak, aby lepiej docenić różnice w sygnale tkanki w MR, powinniśmy także znać parametry owej tkanki. Wśród tych parametrów, czas relaksacji T2* jest najwrażliwszym zewnętrznym polem magnetycznym. Jako ogólna instrukcja, Tabela 3.2 podsumowuje główne tkanki i wybrane patologie z pomiarami czasu relaksacji T1 i T2 w systemach 0,2 i 1,5 T. Proszę zauważyć, że przedstawione w literaturze pomiary czasów relaksacji mogą się wahać w szerszym zakresie, a Tabela 3.2. ma na celu przedstawić czytelnikowi ogólne zalecenia.