Czasy, ważenie i kontrast sekwencji

Chwila odczytu jest wyborem kontrastu

Po wzbudzeniu odbudowa T1 i zanik T2 zachodzą równocześnie. Sekwencja nie może sprawić, że te właściwości tkanek znikną; może natomiast wybrać, kiedy i jak spróbkować zmieniający się sygnał. W modelu myślowym konwencjonalnego echa spinowego wybór ten staje się czytelny dzięki dwóm parametrom czasowym.

Czas repetycji (TR) to odstęp między kolejnymi wzbudzeniami tego samego nominalnego położenia. Krótszy TR pozostawia mniej czasu na odbudowę magnetyzacji podłużnej przed następnym wzbudzeniem, dlatego różnice T1 silniej wpływają na sygnał. Dłuższy TR zmniejsza tę zależność. Czas echa (TE) to odstęp od wzbudzenia do próbkowanego echa. Dłuższy TE pozwala na większy zanik poprzeczny przed odczytem, dlatego różnice T2 silniej wpływają na sygnał. Krótszy TE ogranicza tę utratę.

Z tego powodu akwizycję z krótkim TR i krótkim TE powszechnie określa się jako T1-zależną, a akwizycję z długim TR i długim TE jako T2-zależną. Długi TR w połączeniu z krótkim TE zwykle zmniejsza zarówno wpływ T1, jak i T2 i jest często nazywany ważeniem gęstością protonową. Są to reżimy ważenia, a nie bezpośrednie pomiary: nazwy wskazują, które różnice między tkankami dominują w wyświetlanym kontraście danej sekwencji, a nie że pojedynczy obraz podaje wartość T1 lub T2 tkanki.

Użyteczne równanie jest celowo ograniczonym modelem myślowym. Przy uproszczonym traktowaniu wpływu gęstości protonowej i innych szczegółów sekwencji sygnał podobny do echa spinowego można zapisać jako S ≈ ρ(1 − e^(−TR/T1))e^(−TE/T2). Zmiana TR zmienia człon odbudowy, a zmiana TE — człon zaniku. Rzeczywiste sekwencje uwzględniają dodatkowo wpływ kąta odchylenia, czasy impulsów refazujących lub gradientów, pociągi ech, przygotowanie inwersyjne, przepływ, podatność magnetyczną i wybory rekonstrukcji. Równanie wyjaśnia kierunek wpływu parametrów czasowych; nie jest uniwersalnym modelem przewidującym sygnał dla każdego obrazu klinicznego.

Interpretowanie względnej jasności

Jasność jest zawsze relacją wewnątrz wyświetlanego obrazu. W typowej orientacji klinicznej płyn jest często ciemny względem innych tkanek w obrazach T1-zależnych i jasny w obrazach T2-zależnych, natomiast tłuszcz jest często względnie jasny w obrazach T1-zależnych. Tendencje te pomagają rozpoznać rodzinę kontrastu, ale nie są gwarancjami: znaczenie mają anatomia, patologia, implementacja sekwencji, natężenie pola, tłumienie sygnału, przepływ i ustawienia wyświetlania.

Ważenie	Typowa tendencja czasowa	Względny wygląd pomocny w orientacji	Typowe zastosowanie interpretacyjne
T1-zależne	krótki TR, krótki TE	tłuszcz często jasny; płyn często ciemny	anatomia i odpowiednio dobrana ocena pokontrastowa
T2-zależne	długi TR, długi TE	płyn często jasny; mięśnie często względnie ciemne	ocena wrażliwa na płyn
PD-zależne	długi TR, krótki TE	różnice gęstości protonowej są podkreślone, a wpływ T1/T2 ograniczony	anatomia, gdy użyteczny jest kontrast gęstości protonowej

Tabela kompresuje poprzednie wyjaśnienie, a nie je zastępuje. Na przykład jasny CSF w akwizycji mózgu wrażliwej na płyn sugeruje kontrast zdominowany przez T2, ale nie ujawnia liczbowego T2 płynu mózgowo-rdzeniowego. Ilościowe oszacowanie T2 wymaga akwizycji z odpowiednim zróżnicowaniem czasów echa oraz modelu lub procedury dopasowania.

Ta sama ostrożność dotyczy gadolinu. Środek kontrastowy zawierający gadolin może skracać T1; gdy dotrze do tkanki, jego obecność może więc zwiększyć sygnał w odpowiednio dobranej akwizycji T1-zależnej. Obserwowane wzmocnienie zależy od sekwencji, czasu, dystrybucji środka i kontekstu tkankowego. Jest porównaniem badań lub obszarów w jawnie określonych warunkach, a nie właściwością zmierzoną już w obrazie sprzed podania środka.

Dwa modele tkanek i jedno równanie w postaci zamkniętej — bez odwzorowania skali szarości, kalibracji skanera, różnic gęstości protonowej ani zachowania wielokompartmentowego. Pojedynczy konwencjonalny obraz T1- lub T2-zależny nie dostarcza ilościowych wartości T1 ani T2; odwzorowanie sygnału na te parametry wymaga odpowiedniego protokołu ilościowego i dopasowania modelu.

Rodziny sekwencji są rodzinami implementacji

Model czasowy wyjaśnia również, dlaczego nazw sekwencji nie należy traktować jako wymiennych etykiet obrazów. Rodzina sekwencji określa sposób przygotowania, refazowania, kodowania i próbkowania magnetyzacji; jej rzeczywisty kontrast nadal zależy od parametrów i implementacji.

Rodzina	Idea operacyjna	Konsekwencja dla obrazu
Echo spinowe (SE)	po wzbudzeniu następują impuls refazujący i echo	użyteczny model odniesienia dla kontrastu T1/T2
Turbo/szybkie echo spinowe (TSE/FSE)	po jednym wzbudzeniu zbiera się kilka ech refazujących	szybsze pokrycie, przy czym pociąg ech również wpływa na kontrast
Echo gradientowe (GRE)	gradienty tworzą echo bez konwencjonalnego impulsu refazującego 180°	szybkie akwizycje, w wielu implementacjach bardziej wrażliwe na efekty T2*
Inwersja z odzyskiem (IR)	impuls inwersyjny poprzedza wzbudzenie i jest synchronizowany za pomocą TI	można stłumić wybraną tkankę
STIR	przygotowanie IR dobrane do krótkiego TI zerującego sygnał tłuszczu	kontrast z tłumieniem tłuszczu, zależny od własnych czasów i właściwości tkanek

Dwie ostatnie rodziny rozwijają tę samą ideę, zamiast jej przeczyć: czas jest narzędziem wyboru kontrastu. Inwersja z odzyskiem i tłumienie sygnału konkretyzują to narzędzie, śledząc magnetyzację podłużną podczas przejścia przez zero.

Źródła

• Abi Berger, „Magnetic resonance imaging” — sekwencje impulsów i związek między relaksacją tkanek a kontrastem MR.
• Stanford Medicine Body MRI Research Group, MRI Physics Education Materials — publiczne wizualne wprowadzenie do mechanizmów kontrastu i sekwencji impulsów.
• Ridgway JP. Cardiovascular magnetic resonance physics for clinicians: part I. J Cardiovasc Magn Reson. 2010;12:71. doi:10.1186/1532-429X-12-71. (Pełny tekst)
• Stanford Center for Cognitive and Neurobiological Imaging. MR Signal Equations. Permanent revision oldid=2295. (Dokumentacja techniczna)
• Smith TE, Steven A, Bagert BA. Gadolinium Deposition in Neurology Clinical Practice. Ochsner J. 2019;19:17-25. doi:10.31486/toj.18.0111. (Pełny tekst)