Introduzione

L'intraprendenza di un'analisi più rapida e più efficiente, la risonanza magnetica (MRI) ha portato a progressi significativi nel disegno della sequenza di impulsi. Tra le innovazioni più efficaci è lo sviluppo di impulsi radiofrequenza multi-banda (RF), che permettono l'eccitazione simultanea e il riesame di più fette o regioni.

Fondamenti di RF eccitazione in MRI

L'equazione di Larmor e la magnetizzazione nucleare

Il nucleo di MRI è il fenomeno di risonanza magnetica nucleare. I nuclei idrogeno (protoni) possiedono un momento magnetico e un momento angolare (spin). Quando si posiziona in un campo magnetico statico B0, questi momenti precede sulla direzione del campo alla frequenza di Larmor ω0 = γ B0, dove γ è il rapporto gyromagnetic (circa 42,58 MHz/T per flipton).

Slice Selezione e il ruolo dei campi gradienti

La selezione di Slice si basa sull'uso di un gradiente di campo magnetico (ad esempio, Gz) applicato lungo l'asse ortogonale al piano di fetta desiderata. Questo gradiente causa la frequenza di Larmor di variare linearmente con la posizione: ω(z) = γ(B0 + Gz·z).

L'equazione Bloch e il problema di progettazione di impulso RF

L'evoluzione della magnetizzazione sotto l'influenza combinata dei campi RF e dei campi di gradiente è regolata dalle equazioni Bloch. La progettazione di un impulso RF è essenzialmente un problema inverso — data un profilo spaziale desiderato di magnetizzazione trasversale (ad esempio, l'eccitazione uniforme su più sottili fette con nulli in mezzo), dobbiamo determinare la forma d'onda RF e la modulazione di gradiente che lo producono.

Principi di progettazione multi-Band di impulso RF

Eccitazione simultanea di fette multiple

Il profilo più semplice di una fetta di impulso è quello di sommare le buste di impulso RF che ecitino individualmente ogni fetta desiderata. Ad esempio, se vogliamo eccitare due fette a posizioni z1 e z2 con δz di spessore di fetta, progettaremo due impulsi selettivi di fetta (ad esempio, sinc-form) con frequenze di carico compensate da γ Gzω(z1 - z2) e poi sommare il loro onda

Frequenza e modulazione di fase

L’approccio di modulazione è appena descritto: è una forma di ampiezza e modulazione di fase combinata. In pratica, la forma d’onda di impulso RF è complessa (I e Q componenti). Assegnando una fase distinta ad ogni banda, possiamo ridurre le interferenze costruttive che possono portare ad una maggiore potenza di separazione (e quindi ad una maggiore velocità di assorbimento specifica, SAR).

Separazione della banda e della croce

Una delle sfide principali nel disegno di impulso multibanda è ridurre il crosstalk tra le fette strettamente distanziate. Crosstalk si manifesta come magnetizzazione indesiderata nelle fette adiacenti derivanti dalla larghezza finita del profilo di fetta e dalla sovrapposizione spettrale tra bande. Questo può portare a contaminazione di segnale e a una riduzione della risoluzione temporale per studi di serie temporale.

Strategie di progettazione per le pulsazioni multi-Band RF

Pulse multibanda a quattro punte

Per i piccoli angoli di ribalta (tipicamente sotto i 30°), l'approssimazione di Fourier dell'equazione Bloch è valida, e gli impulsi possono essere progettati direttamente nel dominio di frequenza. Il profilo di eccitazione di destinazione è una somma di funzioni rettangolari centrate sulle posizioni di fetta desiderata.

Shinnar-Le Roux (SLR) Trasformare per le pulsazioni multibanda

Per l'ottimizzazione di grandi dimensioni (ad esempio, 90° o 180°), il Fourier non riesce a far sì che le equazioni Bloch diventino non lineari. La SLR trasforma è un metodo esatto per la progettazione di impulsi per qualsiasi angolo di rotazione mappando il problema sulla progettazione di filtri digitali.

Variabile tasso di eccitazione selettiva (VERSE)

VERSE è una tecnica che modifica l’ampiezza del polso RF e la resistenza del gradiente RF contemporaneamente per ridurre l’ampiezza di picco RF o per ridurre la durata del polso mantenendo lo stesso profilo di eccitazione. In imaging multi-banda, VERSE è particolarmente preziosa perché gli impulsi multi-banda hanno spesso ampiezze di picco elevate che si avvicinano ai limiti dell’hardware e aumentano SAR.

Ottimizzazione e metodi iterativi

Il design del polso multibanda moderno si basa sempre più sull'ottimizzazione numerica per rispondere alle esigenze concorrenti della durata del polso, SAR, flip angle Precision e artificio soppressione. Il problema è spesso lanciato come ottimizzazione contrattata: minimizzare l'ampiezza di picco RF (o casi totali hanno) soggetto all'equazione Bloch e vincoli sul profilo di eccitazione ad ogni posizione di fetta.

Constrati pratici e integrazione con l'Imaging Parallel

Tasso di assorbimento specifico (SAR) Gestione

Lo scanner multibanda di controllo SAR è un'importante preoccupazione per gli impulsi multi-banda, specialmente per i punti di forza ultra-alti (7 T e oltre). Un'energia multi-banda deposita su più fette contemporaneamente, così sia il picco che la media di SAR aumentano approssimativamente lineare con il numero di bande se non viene applicata l'ottimizzazione.

Combinazione con SENSE e GRAPPA

L'eccitazione multi-banda da sola non è sufficiente per produrre immagini separate da ogni fetta perché tutte le fette contribuiscono allo stesso segnale di lettura. La separazione dei segnali di fetta viene eseguita nella ricostruzione dell'immagine utilizzando i profili noti della sensibilità della bobina da una bobina del ricevitore.

Applicazioni di Pulse RF multi-Band

MRI funzionale (fMRI) e Reti di Stato

Il sistema di analisi del polso multi-banda è in grado di migliorare la capacità di acquisizione del polso multi-banda, in particolare per l'acquisizione di un livello di ossigeno nel sangue (BOLD) e la capacità di acquisire una copertura integrale con alta risoluzione temporale (ad esempio, TR < 1 s) ha rivoluzionato lo studio delle dinamiche disinvoltate del cervello.

Diffusione MRI e Trattografia

L'imaging multibanda (DWI) richiede lunghi tempi di scansione per acquisire direzioni e valori di gradiente multipli. Le valutazioni multibanda sono state strumentali nel fare l'imaging ad alta risoluzione (HARDI) e la diffusione di immagini a tensoio (DTI) clinicamente fattibile.

Immagini cardiac e dinamiche in tempo reale

L'analisi multi-banda di frequenza di acquisizione multi-slice è un'analisi di tipo di tipo di tipo cardiaco, che consente di ottenere una maggiore precisione di utilizzo di una serie di parametri di sicurezza, che consentono di ottenere una scansione senza respirazione.

Direzioni e tecniche emergenti

L'evoluzione del multi-banda RF impulso continua a spingere i confini dell'accelerazione MRI. I metodi di apprendimento automatico, in particolare le reti neurali profonde, sono applicati al problema inverso del disegno del polso. Questi modelli possono imparare la mappatura complessa dai profili multibanda desiderati alle forme d'onda RF ottimali, tenendo conto dei vincoli intensivi come SAR e non linearità hardware.

Conclusioni

Gli impulsi RF a banda multipla rappresentano una pietra angolare della risonanza magnetica moderna e accelerata, il loro design è profondamente radicato nella fisica fondamentale della risonanza magnetica, tra cui l'equazione Larmor, le equazioni Bloch e il rapporto di Fourier tra impulsi RF e profili spaziali.