Introduzione alla MRI quantitativa e alle sequenze multieco

Imaging (MRI) è una modalità di imaging non invasiva che utilizza forti campi magnetici e impulsi di radiofrequenza per generare immagini anatomiche dettagliate. Mentre la risonanza magnetica convenzionale fornisce un ottimo contrasto tra tessuti molli, rimane in gran parte qualitativi - intensità di segno dipendono dalle impostazioni dello scanner e dai fattori specifici del paziente, rendendo il confronto diretto tra esami difficili.

Tra le tecniche di guida qMRI, le sequenze multieco occupano un ruolo centrale. Con l'acquisizione di più segnali a diversi tempi eco dopo una singola eccitazione, sequenze multieco campionano il decadimento del segnale MR con alta risoluzione temporale. Questo permette una stima accurata dei parametri di rilassamento, che a sua volta fornisce informazioni sulle proprietà dei tessuti come il contenuto di ferro, la miliazione, la fibrosi e l'edema.

Principi fondamentali di Decay Segnale

T2 e T2* Rilassamento

Dopo una radiofrequenza iniziale (RF) il polso eccita i giri in un tessuto, la magnetizzazione trasversale si deteriora nel tempo a causa di due processi: interazioni spin-spin (T2 relax) e inomogeneità magnetica del campo (T2* relax). Il tempo di rilassamento T2 è una proprietà intrinseca del tessuto, riflettendo l'efficienza dello scambio energetico tra i giri vicini.

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

Le sequenze multieco possono essere progettate per isolare T2 o T2* a seconda che siano inclusi i meccanismi di rifocus (ad esempio, impulsi a 180°).

Equazione dei segni

In un'acquisizione spin-eco, la magnitudine del segnale in un tempo eco TE è data da:

S(TE) = S0 · exp(-TE/T2)

Per un'acquisizione gradiente-eco, il segnale si deteriora con T2* invece di T2. Sfruttando il segnale a più TE, si può adattare alla curva di decadimento a un modello esponenziale e stimare T2 (o T2*) e il segnale completamente rilassato S0 (che è proporzionale alla densità di protoni).

Sequenza di impulso disegni per l'acquisizione multi-eco

Echo Spin Multi-Echo (MESE)

L'approccio classico per acquisire eco multipli T2-peso è la sequenza echo spin multi-eco. Dopo un impulso di eccitazione di 90°, viene applicato un treno di impulsi di rifocus a 180°, generando una serie di echi di spin a volte echo allo stesso tempo spazio.

Le limitazioni includono vincoli specifici di tasso di assorbimento (SAR) dovuti ai molti impulsi di 180°, e la sensibilità alle inomogeneità B1 che possono compromettere l'efficienza di messa a fuoco.

Eco multi-eco (ME-GRE)

Le sequenze di eco gradienti acquisiscono echi applicando inversione di gradiente invece di impulsi a 180°. In una sequenza di eco-gradante multieco (ME-GRE), dopo un'unica eccitazione RF, si formano più eco di gradiente ad aumentare TE. Questa tecnica è altamente efficiente perché permette di campionare la curva di decadimento T2* molto rapidamente, spesso in un unico tempo di ripetizione adatto.

Le applicazioni di ME-GRE includono la mappatura R2* (R2* = 1/T2*), che viene utilizzata per quantificare il contenuto di ferro nel fegato, nel cervello e nel cuore. Il decadimento del segnale in ME-GRE è influenzato anche dalle inomogeneità macroscopiche, che richiedono la correzione (ad esempio, utilizzando mappe sul campo) per ottenere valori R2* affidabili.

Tempo eco ultra-breve (UTE) Sequenze

Per i tessuti con T2 o T2* molto corti (ad esempio, ossa corticale, tendini, legamenti e miglio), i tempi di eco convenzionali sono troppo lunghi per catturare il segnale. Le sequenze di eco-tempo ultra-breve (UTE) utilizzano traiettorie radiali o spirali k-spaziali combinate con TE molto brevi (a partire da 0,01 ms) e possono essere estesi a acquisizioni multi-eco.

Analisi dei dati e stima dei parametri

Montaggio monoesponenziale

L'approccio più semplice e più comune per analizzare i dati multi-eco è quello di adattare il segnale come funzione di TE ad un modello di decadimento monoesponenziale. Per la mappatura T2, il modello è S(TE) = S0 · exp(-TE/T2) + rumore bias.

L'accuratezza e la precisione delle stime T2 dipendono dal numero di eco, dalla distanza echo e dalla gamma di TEs campione. Idealmente, il TE più lungo dovrebbe essere almeno 1,5 volte il T2 di interesse, e il TE più breve dovrebbe essere il più piccolo possibile per catturare il decadimento precoce.

Montaggio multi-esponenziale

I tessuti contengono spesso scomparti d'acqua multipli con diversi tempi di rilassamento. Ad esempio, la materia bianca ha un componente dell'acqua milina con T2 molto breve (~10-20 ms) e un componente dell'acqua intra/extracellulare con T2 più lungo (~80-100 ms).

Le sfide includono la natura ill-posed del problema inverso (molte possibili distribuzioni si adattano ugualmente bene ai dati), la sensibilità al rumore, e la necessità di un alto SNR e molte eco.

R2* Mapping e correzioni

Per i dati multieco di gradiente-eco, la mappatura R2* viene eseguita adattando la curva di decadimento a un modello monoesponentiale. Tuttavia, le inomogeneità macroscopiche B0 introducono un ulteriore decadimento che può bias R2* stime.

Un'altra importante correzione è per la presenza di grasso. Nei tessuti contenenti acqua e grasso, il cambiamento chimico provoca interferenza che modula il decadimento del segnale. Le tecniche di separazione di grasso dell'acqua (ad esempio, IDEAL o Dixon) possono essere combinate con acquisizioni multi-eco per valutare simultaneamente le frazioni di acqua e di grasso e R2*.

Applicazioni cliniche

Imaging neurologico

Le sequenze multi-eco sono ampiamente utilizzate nel cervello. T2 aiuta a mappare nella caratterizzazione delle lesioni della sclerosi multipla, dove T2 prolungato riflette demieliazione ed edema. L'imaging dell'acqua di Myerrhlin che utilizza il multi-eco T2 fornisce un marcatore più specifico del contenuto di mielin.

Liver e Abdominal Imaging

Il sovraccarico di ferro nel fegato (ad esempio, a causa di emocromatosi ereditaria o anemia dipendente dalla trasfusione) può essere quantificata utilizzando la mappatura R2* con sequenze eco-gradanti multieco. La correlazione tra R2* e la concentrazione di ferro epatico è ben stabilita, permettendo la diagnosi non invasiva e il monitoraggio dell'acquisizione del trattamento.

Imaging muscoloscheletrico

La mappatura T2 è stata utilizzata per rilevare i primi cambiamenti degenerativi nell'osteoartrite. L'orientamento della fibra di collagene e l'influenza dell'idratazione dei valori T2 e le alterazioni dei cambiamenti morfologici precedenti T2. Le sequenze di echo spin multi-eco con i treni echo separati per ogni fetta sono comunemente impiegate. La combinazione di mappatura T2 con T1ρ imaging fornisce informazioni complementari sul contenuto proteoglycan.

Imaging cardiac

La mappatura miocardica T2 e T2* sono preziose per valutare l'edema (ad esempio, nella miocardite), il sovraccarico di ferro (in talassemia), e l'emorragia (in infarto cronico). Le sequenze di eco-gradante multieco sono adattate per la garza cardiaca e la presa del respiro per congelare il movimento cardiaco.

Tecniche Avanzate e Recenti sviluppi

T2 e T2* simultanee

Alcune sequenze mirano ad acquisire sia le informazioni T2 che T2* in un'unica acquisizione, ad esempio, la sequenza di gradienti-eco spin-echo (GRASE) interleve eche gradienti tra spin echoes, permettendo il campionamento simultaneo delle curve di decadimento T2 e T2*. Un altro approccio è l'uso di un eco multi-eco gradiente seguito da un treno spin echo all'interno della stessa ripetizione.

Multi-Echo accelerato di imaging con la sensibilità compressa

Per ridurre il tempo di scansione, mantenendo il numero di eco, le tecniche di rilevamento compresso (CS) e di imaging parallelo vengono applicate a sequenze multieco. CS sfrutta la parsimonia delle mappe parametriche in un dominio di trasformazione (ad esempio, wavelets) e consente il sottosampling di k-space. Ciò è particolarmente utile per le acquisizioni multi-eco 3D, dove un singolo volume ad alta risoluzione può essere ricostruito con TE multipli.

Correzione del movimento e applicazioni in tempo reale

Per applicazioni come MRI fetale o MRI cardiaca, il movimento durante le acquisizioni multieco può corrompere i dati. Correzione prospettiva del movimento utilizzando eco del navigatore o tracciamento ottico, combinato con campionamento radiale ad angolo dorato, consente una robusta imaging multi-eco anche in presenza di movimento.

Sfide e limitazioni

Nonostante il loro potere, le sequenze multieco affrontano diverse sfide. Il rapporto segnale-to-rumore diminuisce con tempi più lunghi, soprattutto per i tessuti brevi T2, richiedendo un'attenta selezione di echo spacing e numero di echos.

Per affrontare questi problemi, i progettisti di sequenze continuano a perfezionare le sequenze di impulsi, sviluppare algoritmi di correzione migliori e integrare l'apprendimento automatico per la stima dei parametri. Ad esempio, le reti neurali possono imparare la mappatura dai segnali multieco alle mappe T2, migliorando potenzialmente la velocità e la robustezza rispetto al montaggio convenzionale.

Le direzioni future

Un'altra direzione promettente è l'integrazione di sequenze multieco con altre tecniche quantitative, come l'imaging di diffusione o il trasferimento di magnetizzazione, per fornire un profilo biofisico completo del tessuto. Un altro è lo sviluppo di protocolli standardizzati tra i fornitori per facilitare gli studi multi-centro e l'adozione clinica.

In definitiva, i principi delle sequenze multieco sono fondamentali per la risonanza quantitativa. Comprendendo la fisica della decomposizione del segnale, della progettazione di sequenze e dei metodi di analisi, i medici e i ricercatori possono sfruttare queste tecniche per ottenere biomarcatori riproducibili e significativi che migliorano la diagnosi, il monitoraggio del trattamento e la nostra comprensione della malattia umana.

Per ulteriori informazioni, vedere la recensione completa di Mackay et al. (2006) su multi-echo T2 relax nel cervello, la guida pratica per la mappatura R2* da Hernando et al. (2015) per la quantificazione del ferro epatico, e l'applicazione clinica di myelin imaging