مبادئ التكافؤ المتعدد التخصصات في التطبيقات الكمية

التعريف بالرنين المغناطيسي الكمي والعائدات المتعددة الأعضاء

إن التصوير بالرنين المغناطيسي هو أسلوب غير متفشي للتصوير يستخدم حقول مغناطيسية قوية ونبضات التردد الإشعاعي لتوليد صور مضللة مفصلة، وفي حين أن التصوير بالرنين المغناطيسي التقليدي يوفر تناقضاً ممتازاً بين الأنسجة الميسرة، فإنه يظل إلى حد كبير عوامل الكثافة النوعية التي تعتمد على البيئات المضبوطة وعلى عوامل معينة للمرضى، مما يجعل المقارنة المباشرة بين الفحوصات المخففة

ومن بين التقنيات التي تؤدي إلى الأشعة السينية المتعددة المؤشرات، فإن التسلسلات المتعددة الفول السوداني تؤدي دوراً محورياً، إذ إن الحصول على إشارات متعددة في أوقات مختلفة بعد حدوث استئصال واحد، وتسلسل متعدد الفول السوداني، يتطلب وضع صورة عن تسلسل الإشارات المرجعية في ضوء التسلسل الزمني العالي، مما يتيح تقديراً دقيقاً لمقاييس الاسترخاء، مما يوفر بدوره أفكاراً عن خصائص الأنسجة مثل محتوى الحديد، وحيازة الألياف، وتركيب، ومبادئ الاسترخاء.

المبادئ الأساسية لبيانات

T2 و T2* الاسترخاء

وبعد أن تبث النبضات المشعة الأولية، تبرز الشواذ في الأنسجة، يتناقص المغناطيس عبر الزمن بسبب عمليتين: التفاعلات بين العمود الفقري (التخفيض) والاختلالات في المجال المغناطيسي (التخفيض*) والوقت الذي يستغرقه الاسترخاء في المادة 2 هو ملكية أساسية للأنسجة، مما يعكس كفاءة تأثيرات تبادل الطاقة بين الجيران(2).

1/T2* = 1/T2 + 1/T2 ]

حيث يمثل "تي2" المساهمة من التجانسات الميدانية، تسلسلات متعددة الجماع يمكن تصميمها لعزل "تي2" أو "تي2"

معادلة الإشارة

في عملية احتياز للفرق العرضي، يعطى حجم الإشارة في وقت الصدى من خلال:

S(TE) = S0 · exp(-TE/T2)]

وبالنسبة لاقتناء مادة من نوع التدرج، فإن الإشارة ترتعش مع T2* بدلا من T2. وبأخذ إشارة في عينة من أجهزة متعددة، يمكن للمرء أن يلائم منحنى التزيين إلى نموذج مكثف، وتقدير T2 (أو T2*) والإشارة S0 المخففة تماما (التي تناسب الكثافة البروتونية) ونموذجات أكثر تعقيدا مثل الأنسجة المتعددة المسؤولية.

تصميمات تعاقب النبض على المقتنيات المتعددة الأعضاء

Multi-Echo Spin Echo (MESE)

ويُطبق النهج الكلاسيكي لاكتساب صدى متعدد الوزن من ثاني أكسيد الكربون، وهو تسلسل صدى متعدد الفول السوداني، وبعد 90 درجة من نبضات الانقراض، يجري استخدام قطار يبلغ 180 درجة لإعادة تركيز النبض، مما يولد سلسلة من صدى العمود الفقري في أوقات صدى ذات مساحة متساوية، ويُدرج كل صدى على حدة لإنتاج صورة.

وتشمل القيود قيوداً محددة تتعلق بمعدل الاستيعاب بسبب النبضات البالغ عددها 180 درجة، وحساسية أوجه عدم التجانس التي يمكن أن تضر بإعادة تركيز الكفاءة، كما أن التقنيات المتقدمة مثل استخدام نبضات مركبة أو حشرات مصممة خصيصاً تساعد على تخفيف هذه القضايا.

Echo Gradient Echo (ME-GRE)

وتكتسب تسلسلات صدى الرواسب من خلال تطبيق التدرج بدلاً من 180 درجة من النبضات، وفي سلسلة من الترددات المتعددة التخصصات، وبعد انطلاقة واحدة من نموذج الإبلاغ الموحد، تُشكل صدى متعددة في درجات في تكنولوجيا المعلومات، وهذه التقنية تتسم بالكفاءة العالية لأنها تتيح أخذ عينات من حقول T2* التي تُعدّل بسرعة كبيرة، وغالباً ما تكون في فترة واحدة من فترات التكرار.

تشمل تطبيقات نظام الرصد المتعدد المؤشرات رسم خرائط R2* (R2* = 1/T2*)، تستخدم لقياس المحتوى الكمي للكم في الكبد والدماغ والقلب، كما أن تفكك الإشارة في نظام ME-GRE يؤثر أيضاً على أوجه القصور في المجال الكلي، التي تتطلب تصحيحاً (مثل استخدام الخرائط الميدانية) للحصول على قيم R2* الموثوق بها.

أولا - ساو تايم (UTE)

وبالنسبة للأنسجة ذات الـ T2 أو T2* القصيرة جدا (مثل العظام القشرية، والزهور، والزجاجات، والفولطين)، فإن أوقات الصدى التقليدية طويلة جدا لالتقاط الإشارة، وتسلسلات صدى الثوران باستخدام مسارات الكم الإشعاعي أو الحلقية في الفضاء، إلى جانب تقنيات كهربية قصيرة جدا (بدرجة منخفضة تبلغ 0.01 متر) ويمكن توسيع نطاقها لتشمل دراسات متعددة.

تحليل البيانات والتقديرات الموازية

التأليف المستجيب

أما النهج الأبسط والأكثر شيوعاً في تحليل البيانات المتعددة الدوائر فهو تكييف الإشارة كوظيفة من وظائف فريق التكنولوجيا والتقييم الاقتصادي لنموذج أحادي التحلل، أما بالنسبة لرسم الخرائط، فإن النموذج S(TE) = S0؛ exp(-TE/T2) + التحيز ضد الضوضاء، ويُنفذ عادة على أساس " بيكسيل - بيكسيل " باستخدام أقل خطوط الأنتر المربع الطبيعي.

وتتوقف دقة تقديرات T2 ودقتها على عدد الصدى، والمباعدة بين الأقراص، ونطاق الاختبارات التقنية، ومن الناحية المثالية، ينبغي أن يكون أطول تقييم تقني 1.5 مرة على الأقل من ثاني أكسيد الكربون، وأن يكون أقصر فريق تقني أصغر حجم ممكن لاستخلاص الاضطرابات المبكرة.

التأليف المتعدد الأطراف

وتحتوي القضايا في كثير من الأحيان على مقصورات متعددة للمياه ذات أوقات استرخاء مختلفة، فعلى سبيل المثال، توجد في المادة البيضاء مكون مائي مائي مائي صغير جداً (020 متراً) وعنصر مائي داخلي/خارجي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون (80-100 متر).

وتشمل التحديات سوء التصرف في المشكلة العكسية (تتتلائم البيانات بقدر متساو من حيث التوزيع المحتمل)، والحساسية إزاء الضوضاء، والحاجة إلى ارتفاع مستوى الترددات الوطنية والعديد من الصدى، وتستخدم أساليب تسوية الوضع (مثلاً تنظيم نظام تيكونوف) والنهج البيزيزية لتثبيت الحل.

R2* رسم الخرائط والإصلاحيات

أما بالنسبة للبيانات المتعددة الدوائر التي تتضمنها الدراسة الاستقصائية، فإن رسم الخرائط من طراز R2* يتم عن طريق وضع منحنى التحلل إلى نموذج احتكاري، غير أن أوجه التباين من نوع B0 تنطوي على تداعيات إضافية يمكن أن تحيز من R2*. وتشمل نُهج الإصلاح استخدام خريطة ميدانية خاصة بمواد فوكسيل مستمدة من مرحلة الصدى المحتازة لخفض الإشارة أو تطبيق نهج متغير متعدد الكبريت.

وثمة تصويب هام آخر يتعلق بوجود الدهون، ففي الأنسجة التي تحتوي على المياه والدهون، تسبب التحول الكيميائي تدخلاً يُعدل من خلال تفكك الإشارة، ويمكن الجمع بين تقنيات فصل المياه (مثلاً، IDEAL أو ديكسون) وبين عمليات الاقتناء المتعددة الفئات لتقدير كميات المياه والكسور الدهونية في آن واحد وR2*.

التطبيقات السريرية

التصوير العصبي

وتُستخدم متواليات متعددة الوصلات في الدماغ على نطاق واسع، كما أن رسم خرائط T2 يساعد على تحديد خصائص عدة مصابات بالتوتر السطحي، حيث يعكس طول T2 الميل والديما، ويوفر التصوير المائي باستخدام T2 المتعددة الوصلات مؤشرا أكثر تحديدا لمحتوى الجيلين.

الكبد وتعبئة العقائد

ويمكن تقدير حجم الزئبق في الكبد (مثلاً بسبب التهاب الكبد أو النسيج الوبائي أو النسيج المعتمد على نقل الدم) كمياً باستخدام رسم خرائط R2* مع تسلسل صدى متعدد المستويات، مما يتيح التطابق بين تركيز ثاني أكسيد الكربون والكبد، ويتيح التشخيص غير المفقود ورصد المعالجة.

التصوير المنسوخ

وفي مجال التخصيب، استخدمت خريطة T2 لكشف التغيرات المولدة في التهاب العظام في وقت مبكر، وتؤثر اتجاهات الألياف والهيدرنة في قيم ثاني أكسيد الكربون، والتعديلات في التغيرات الوبائية في ثاني أكسيد الكربون، وتُستخدم في الشائعات تسلسلات صدى الدوار المتعددة التي تستخدم فيها قطارات صدى منفصلة لكل شريحة، كما أن الجمع بين رسم خرائط T2 مع محتوى T1 يوفر معلومات تكميلية عن البروتوغين.

رسم الخرائط

ويُعد رسم الخرائط بالبطاقات T2 و T2* قيمة لتقييم النزعة الإيديولوجية (مثلاً في التهاب البطاقات) وضغط الحديد الزائد (في الشالسيميا) والنزيف (في الزراعة المزمنة) وتكييف تسلسل صدى التدرج المتعدد الفول لكل من القلب وضبط النفس لتجميد حركة القلب.

التقنيات المتقدمة والتطورات الأخيرة

حرف T2 و T2*

وترمي بعض التسلسلات إلى الحصول على المعلومات من T2 و T2* في عملية شراء واحدة، مثلا، فإن سلسلة التسلسل بين التسلسلات التي تفصل بين الصدى بين العمود الفقري، مما يتيح أخذ عينات متزامنة من سلاسل T2 و T2*، ويمكن أن يوفر هذا النهج الآخر استخدام صدى متعدد الأشكال يتبعه قطار صدى العمود الفقري في نفس التكرار.

تسارع وتيرة التصوير المتعدد الأشكال بواسطة الاستشعار المكثف

ولتقليل الوقت المتاح للمسح مع الحفاظ على عدد الصدى، وتطبيق تقنيات الاستشعار المكثف والتصوير الموازي على التسلسلات المتعددة الفصائل، تستغل CS فصائل الخرائط المتماثلة في مجال التحول (مثلاً، الملوحات) وتتيح أخذ عينات من الحيز المخصص للكم، وهذا مفيد بشكل خاص بالنسبة للاقتناءات المتعددة البيوت التي يمكن فيها إعادة بناء مجلد واحد من المواد التقنية ذات الاستبانة العالية.

تصحيح الحركة وتطبيقات الوقت الحقيقي

وبالنسبة لطلبات مثل التصوير بالرنين المغناطيسي الجنيني أو التصوير بالرنين المغناطيسي القلبي المغناطيسي، يمكن للحركة أثناء عمليات الاقتناء المتعددة الجماع أن تفسد البيانات، ويتيح تصحيح الحركة الاستشرافية باستخدام صدى الملاح أو التتبع البصري، مقترناً بأخذ عينات من الشعائر الذهبية، التصوير القوي المتعدد الأقوال حتى في وجود حركة، وتتيح حلقات التغذية العكسية في الوقت الحقيقي إجراء تعديل مستمر للطائرة التصويرية.

التحديات والحدود

وبالرغم من قوتها، فإن التسلسلات المتعددة الوصلات تواجه عدة تحديات، وقد تؤدي نسبة الإشارة إلى الأرقام إلى انخفاضات أطول، ولا سيما بالنسبة للأنسجة القصيرة من نوع T2، مما يتطلب اختيارا دقيقا للمباعدة بين الأقراص الصدرية وعدد الصدى.

ولمعالجة هذه المسائل، يواصل مصممو التسلسل صقل تسلسل نبضات، وتطوير خوارزميات إصلاحية أفضل، وإدماج التعلم الآلي في تقدير البارامترات، فعلى سبيل المثال، يمكن للشبكات العصبية أن تتعلم رسم الخرائط من إشارات متعددة إلى خرائط T2، مما قد يؤدي إلى تحسين السرعة والقوة مقارنة بالتجهيز التقليدي.

الاتجاهات المستقبلية

ويتطور ميدان التصوير بالرنين المتعدد المؤشرات كميا بسرعة، ويتمثل أحد الاتجاهات الواعدة في إدماج التسلسلات المتعددة المجموعات مع التقنيات الكمية الأخرى، مثل التصوير بالنشر أو نقل المغناطيس، لتوفير صورة شاملة للفيزيائية الحيوية للأنسجة، ويتمثل اتجاه آخر في وضع بروتوكولات موحدة عبر البائعين لتيسير الدراسات المتعددة المراكز والتبني السريري، ومن المرجح أن تؤدي الاستخبارات الفنية دورا أكبر في إعادة البناء، ووضع استراتيجيات أفضل للتصنيف.

وفي نهاية المطاف، فإن مبادئ التسلسلات المتعددة التخصصات هي أساس للتصوير بالرنين المغناطيسي الكمي، ومن خلال فهم الفيزياء التي تتسم بها التحلل، وتصميم التسلسل، وأساليب التحليل، يمكن للمستوصفين والباحثين أن يستغلوا هذه التقنيات للحصول على علامات بيولوجية قابلة للتكاثر وذات معنى تعزز التشخيص، ورصد العلاج، وفهمنا للأمراض البشرية.

For further reading, see the comprehensive review by Mackay et al. (2006) on multi-echo T2 restation in the brain, the practical guide to R2* mapping by ]Hernando et al. (2015) for liver ironntification (20Fle)