Роль магнитизации в Т2*-взвешенных эффектах визуализации и восприимчивости

Введение

Магнитизация является краеугольным камнем генерации сигнала магнитно-резонансной томографии (МРТ), но ее роль выходит далеко за рамки простого расслабления. В T2*-взвешенной визуализации распад поперечной намагниченности исключительно чувствителен к локальным неоднородностям магнитного поля, вызванным вариациями восприимчивости тканей. В отличие от обычных T2-взвешенных последовательностей, которые перефокусируют статическое дефазирование с использованием 180°-перефокусирующего импульса, T2*-последовательности полагаются на градиентные эхо-сигналы, которые позволяют накапливать эти возмущения поля. Это делает T2*-взвешенную визуализацию мощным инструментом для обнаружения осаждения железа, кровоизлияния, кальцификации и других связанных с восприимчивостью изменений ткани. Понимание основной физики намагниченности необходимо как радиологам, так и физикам MR для правильной интерпретации изображений и оптимизации параметров получения. Эта статья обеспечивает всеобъемлющий, клинически ориентированный обзор того, как намагниченность регулирует эффекты восприимчивости в T2*

Основы магнетизации в МРТ

Ядерный спин и чистая магнитизация

Ядра водорода (]1H) обладают магнитным моментом благодаря своему спину. При размещении в сильном внешнем магнитном поле (]B0 эти моменты выравниваются либо параллельно (более низкая энергия), либо антипараллельно (более высокая энергия) по полю.Небольшой избыток в параллельной ориентации создает вектор чистой намагниченности (]M), указывающий вдоль продольной оси. Величина этой чистой намагниченности зависит от силы поля, температуры и количества спинов водорода на единицу объема (плотность протона).

Возбуждение и расслабление

Применяя резонансный радиочастотный (РЧ) импульс, наконечники М от продольной оси переходят в поперечную плоскость.После импульса происходят два независимых процесса релаксации:

  • T1 релаксация (спин-решение): восстановление продольной намагниченности посредством передачи энергии в окружающую решетку; регулирует, как быстро сигнал может повторяться.
  • T2 релаксация (спин-спин): распад поперечной намагниченности из-за случайных взаимодействий между соседними спинами, вызывающий необратимое ослабление.

На практике дополнительное дефазирование происходит от неоднородностей статического магнитного поля — как макроскопических (несовершенное сияние, границы воздушно-тканевой ткани), так и микроскопических (изменение восприимчивости внутри ткани).Совместный эффект описывается более короткой постоянной времени, T2* (читай как T2-звезда).Связь дается: 1/T2* = 1/T2 + 1/T2′, где T2′ представляет компонент из-за неоднородностей статического поля.

Gradient Echo vs. Spin Echo

Последовательности спинового эха (SE) развертывают импульс перефокусировки 180°, который обращает вспять накопление фазы, вызванное неоднородностями статического поля, создавая сигнальную оболочку, которая распадается с T2, а не T2*. Последовательности градиентного эха (GRE), с другой стороны, опускают импульс 180°. Вместо этого они используют биполярный градиент считывания для формирования эха; любые внерезонансные эффекты накапливаются над последовательными эхо, давая сигнал, который распадается с T2*. Поэтому GRE (и его производная, взвешенная по восприимчивости визуализация) является методом выбора для исследования местных вариаций восприимчивости.

T2*-Взвешенная визуализация и восприимчивость

Что такое магнитная восприимчивость?

Магнитная восприимчивость (]χ) — это безразмерное свойство, описывающее, как материал становится намагниченным при помещении в магнитное поле.

  • Диамагнитный (χ <0): слабо противостоит полю (например, вода, кальций, кость).
  • Парамагнетик (χ>0): слабо усиливают поле (например, гадолиний, дезоксигемоглобин, железо в ферритине).
  • Ферромагнитная (χ >> 0): сильно усиливаются и остаются намагниченными (редко in vivo).
  • Суперпарамагнитные (χ промежуточные): частицы, которые намагничиваются в поле, но не сохраняют намагниченность после удаления (например, наночастицы оксида железа, используемые в качестве контрастных агентов).

Различия в χ между соседними тканями создают локальные градиенты магнитного поля.В последовательности GRE с T2*-взвешенным значением спины в этих областях прецессируют на разных частотах, вызывая быстрое ослабление и потерю сигнала — отличительный признак эффектов восприимчивости .

T2* Контрастные механизмы

Интенсивность сигнала на изображении с Т2* отражает местную скорость поперечной релаксации. Сильные парамагнитные вещества (например, гемозидерин от хронического кровоизлияния) вызывают большие возмущения поля, что приводит к глубокой потере сигнала. Это используется в клинической визуализации для выявления микрокровотечений, перегрузки железом и венозных структур (где дезоксигенированная кровь является парамагнитной). И наоборот, диамагнитные материалы, такие как кальцификации, вызывают меньшее падение сигнала, но могут проявляться гипоинтенсивными по отношению к фоновой ткани из-за их различной восприимчивости.

Чистый Т2* взвешивание достигается путем выбора длинного эхо-времени (TE) в последовательности GRE, обычно 15–40 мс при 1,5 Т и 10–30 мс при 3 Т, в зависимости от целевой ткани. При более высоких прочностях поля эффекты восприимчивости увеличиваются пропорционально B0, предлагая улучшенную контрастность, но также и увеличенные артефакты. Для подробного описания параметров последовательности GRE см. статью Radiopaedia о градиентных эхо-последовательности .

Взвешенная восприимчивость (SWI)

Специализированным расширением T2*-взвешенной GRE является суспензионная визуализация (SWI), которая объединяет информацию о величине и фазе для повышения контрастности веществ с различными восприимчивостями. SWI является высокочувствительным для венозных структур, микрокровотечений и содержания железа и стала стандартной последовательностью в протоколах МРТ мозга. Фазовое изображение предоставляет дополнительную информацию: парамагнитные вещества вызывают отрицательный фазовый сдвиг (относительно фона), в то время как диамагнитные вещества вызывают положительный сдвиг, помогая различать, например, кровоизлияние от кальцификации.

Эффекты магнитизации и восприимчивости

Местные искажения и дефазирование поля

Когда тканевая область содержит вещество с восприимчивостью, отличной от ее окружения, магнитное поле возмущается как внутри, так и за пределами области. Это возмущение, описанное уравнениями Максвелла, создает градиенты поля, которые изменяются пространственно. Вращения, диффундирующие через эти градиенты, испытывают дополнительное случайное дефазирование - называемое динамическое дефазирование - в то время как стационарные спины испытывают статический дефазирование, которое частично обратимо с импульсом 180°. В последовательностях GRE как статический, так и динамический дефазирование способствуют распаду T2*.

Величина смещения поля в точке r определяется (в первом порядке) следующим образом:

ΔB(r) = (χ(r) — χref) · B0 · f(геометрия)

где χ ref — восприимчивость эталонной среды (часто воды или паренхимы мозга), а f(геометрия) — форма источника восприимчивости (сфера, цилиндр и т. д.) Для сферических отложений железа возмущение поля распадается как 1/r3 от центра, создавая характерный дипольный рисунок.

Основные источники вариации восприимчивости в Vivo

  • Железный: Хранится в виде ферритина и гемосидерина в печени, селезенке и глубоких ядрах мозга (globus pallidus, substantia nigra, красное ядро, зубчатое ядро). Чрезмерное накопление железа наблюдается при нейродегенеративных заболеваниях (Паркинсон, Альцгеймер, рассеянный склероз) и при гемохроматозе. Парамагнитное действие железа укорачивает T2* и вызывает гипоинтенсивность на изображениях GRE.
  • Дезоксигенированная кровь: Дезоксигемоглобин является парамагнитным из-за четырёх непарных электронов в гемовом железе. В венозной крови парамагнетизм создаёт фазовые различия между просветом сосуда и паренхимой, что является основой для визуализации BOLD (зависимого от уровня кислорода в крови) и для визуализации мозговых вен в SWI.
  • Кальций: Кальций является диамагнитным. В последовательности GRE он вызывает небольшую потерю сигнала, но фазовый сдвиг противоположный сдвигу парамагнитных веществ (т.е. положительный фазовый сдвиг относительно фона). Эта разница полярности используется в изображениях фазы SWI для дифференциации кальцинированных и геморрагических поражений.
  • Интерфейсы воздушно-тканевой системы : большая разница в восприимчивости между воздухом (χ ≈ 0,36×10−6, по существу ноль) и тканью (χ ≈ -9×10−6) создает серьезные градиенты поля в пазухах, основании черепа и стенках стенок легких. Это приводит к отсева сигнала и геометрическим искажениям, особенно в эхо-планарной визуализации (EPI).
  • Контрастные агенты: агенты на основе гадолиния являются парамагнитными и укорачивают T1 (используются для T1-взвешенного усиления), но также влияют на T2*, вызывая неоднородности локального поля при высоких концентрациях или в формах, сложных с кальцием (например, макроциклические против линейных агентов).

Артефакты восприимчивости в клинической визуализации

Хотя эффекты восприимчивости ценны для характеристики тканей, они также вызывают артефакты изображения, которые ухудшают диагностическое качество.

  • Отсев сигнала : полная потеря сигнала в областях быстрого ослабления, например, рядом с хирургическими зажимами, зубным оборудованием или гнилостной костью.
  • Геометрическое искажение: Неправильная регистрация спинов из-за частотных сдвигов, заметных в последовательностях EPI (диффузионно-взвешенная визуализация).
  • Размывание и звон : происходит, когда функция распространения точки расширяется неоднородностями поля, особенно с длинными эхопоездами.

Стратегии смягчения этих артефактов включают улучшенное перекрытие, более короткий TE, меньший размер вокселя, параллельную визуализацию и использование наклона угла обзора или z-переключение. Для всестороннего обзора методов уменьшения артефактов см. статью об артефактах восприимчивости в МРТ Hargreaves et al. (Radiographics) .

Картирование количественной восприимчивости (QSM)

Более поздним развитием является количественное картирование восприимчивости (QSM), которое реконструирует базовое пространственное распределение магнитной восприимчивости из фазовых данных приобретения GRE. QSM удаляет нелокальный дипольный эффект и обеспечивает прямую меру содержания железа в тканях, содержания кальция и других парамагнитных / диамагнитных видов. Он нашел клиническое применение в количественной оценке накопления железа при нейродегенеративных заболеваниях, оценке объема кровоизлияния в мозговых микрокровотечениях и в венографии. Для углубленного объяснения принципов QSM и клинических примеров обзор Wang и Liu (2015) в NMR в биомедицине предлагает тщательное введение.

Последствия для визуализации и диагностики

Обнаружение кровоизлияний (микрокровоизлияния в мозг)

T2*-взвешенные GRE и SWI являются последовательностями выбора для обнаружения церебральных микрокровотечений (CMBs). Эти небольшие хронические кровоизлияния присутствуют в виде гипоинтенсивных очагов из-за отложения гемосидерина. CMB связаны с гипертонией, церебральной амилоидной ангиопатией, черепно-мозговой травмой и антикоагулянтной терапией. Их присутствие и распределение (лобар против глубокого) помогают дифференцировать основное заболевание мелких сосудов. Типичный протокол МРТ мозга для травмы или когнитивного снижения включает последовательность GRE с TE > 20 мс при 3T. Появление SWI увеличило чувствительность к CMB до 6 раз по сравнению с обычным GRE.

Расстройства перегрузки железом

Пациенты с наследственным гемохроматозом, талассемией или повторными переливаниями крови накапливают железо в печени, сердце и эндокринных органах. Время релаксации T2* в печени обратно коррелирует с концентрацией железа. Liver T2* mapping с использованием последовательности мультиэхо GRE позволяет неинвазивную количественную оценку содержания железа в печени, помогая направлять хелатную терапию. Аналогично, картирование миокарда T2* (например, для пациентов с талассемией) прогнозирует риск сердечной недостаточности - T2* < 10 мс при 1,5Т указывает на сильную перегрузку железа и повышенный риск аритмии.

Нейродегенеративные заболевания

Аномальное осаждение железа в ядрах глубокого серого вещества является отличительной чертой нескольких нейродегенеративных состояний. При болезни Паркинсона повышенное содержание железа в субстанции nigra pars compacta коррелирует с выраженностью моторных симптомов. При рассеянном склерозе поражения железного края (парамагнитные поражения обода на SWI) указывают на хронические, активные бляшки с продолжающимся воспалением. Болезнь Альцгеймера показывает повышенное содержание железа в гиппокампе и базальных ганглиях. QSM может обеспечить количественные железные карты, которые отслеживают прогрессирование заболевания и могут служить биомаркером визуализации.

Кальцификация vs дифференциация кровоизлияний

Как кальцификация, так и хроническое кровоизлияние проявляют гипоинтенсивность на изображениях с T2*-взвешенной величиной. Однако фазовые изображения из SWI или QSM выявляют противоположные фазовые сдвиги: кальцификаты являются диамагнитными (положительный фазовый сдвиг, т.е. более высокая частота), в то время как кровоизлияние является парамагнитным (отрицательный фазовый сдвиг). Это различие имеет решающее значение для характеристики опухолей головного мозга, факоматов (например, туберозный склероз) и сосудистых пороков развития. Например, дифференциация кальцинированной каверномы от геморрагического метастаза направляет дальнейшее лечение.

Сосудистая визуализация и бол

Т2*-взвешенная визуализация является основой функциональной МРТ (fMRI) с использованием эффекта BOLD. Деоксигемоглобин в капиллярных слоях действует как эндогенный контрастный агент. Во время активации нейронов увеличивается кровоток, разбавляя дезоксигемоглобин, что уменьшает парамагнитное дефазирование и увеличивает T2*-взвешенный сигнал. В то время как BOLD fMRI используется преимущественно для картирования функции мозга, основная физика восприимчивости идентична физике T2* контраста в структурной визуализации.

Помимо мозга, T2*-взвешенные последовательности используются в сердце для обнаружения железа миокарда, в печени для оценки жировых заболеваний печени (через коррекцию T2* для ИДЕАЛЬНОГО разделения воды и жира), а также в опорно-двигательной визуализации для обнаружения гемозидерина при гемофильной артропатии или пигментированного виллонодулярного синовита (PVNS).

Практические соображения для технологов и радиологов

Оптимизация последовательности

Для получения диагностических изображений с Т2*-взвешенными параметрами следует учитывать клинический вопрос и силу поля:

  • Эхо-время (TE): Для SWI используйте длинное TE, чтобы максимизировать контраст восприимчивости, но избежать чрезмерной потери сигнала (типичное TE при 1,5T: 40 мс; при 3T: 20–25 мс; при 7T: 10–15 мс).
  • Резолюция : Используйте изотропные воксели (например, 0,5-1 мм3) для SWI для растворения мелких сосудов и микрокровотечений; более крупные воксели увеличивают эффекты частичного объема и уменьшают контраст.
  • Угол поворота: Небольшой угол поворота (15-25°) уменьшает вес T1 и максимизирует контраст T2*; больший угол поворота (≥30°) добавляет вес T1, который может быть желательным для конкретных применений.
  • Компенсация потока : Применяйте градиентный момент, нанося на срез и считывая направления для подавления пульсативных потоков артефактов из артерий и вен.
  • Параллельное изображение: Используйте коэффициенты ускорения 2-3, чтобы сократить время сканирования и уменьшить размытие, связанное с восприимчивостью; более высокое ускорение может вызвать шум g-фактора.
  • Шиммирование : Активное шиммирование (особенно второго порядка) имеет решающее значение при 3T и выше, чтобы минимизировать макроскопические неоднородности B0, особенно вблизи интерфейсов воздух-ткани.

Смягчение артефактов в клинической практике

Когда артефакты восприимчивости ухудшают качество изображения, рассмотрите следующие корректировки:

  • Уменьшить ТЭ, чтобы уменьшить время дефазирования (по стоимости контраста Т2*).
  • Увеличить пропускную способность приемника и/или сократить длину эхопоезда для последовательностей на основе EPI (например, DWI).
  • Используйте однократный или многократный снимок GRE с сегментированными считываниями k-пространства для уменьшения искажений.
  • Применять полевую коррекцию искажений на основе карт в постобработке (доступно на большинстве современных сканеров).
  • Для пациентов с металлическими имплантатами используйте методы наклона угла обзора или SEMAC (Slice Encoding for Metal Artifact Correction); они доступны в виде запатентованных последовательностей (например, MAVRIC, WARP).

В целом, глубокое понимание взаимодействия между эффектами намагниченности и восприимчивости позволяет команде МРТ получать высококачественные изображения с T2*-взвешенным значением, которые максимизируют диагностический выход при минимизации ошибок, связанных с артефактами.

Заключение

Роль намагниченности в Т2*-взвешенной визуализации является фундаментальной и далеко идущей. От первоначального выравнивания спинов водорода в магнитном поле до быстрого ослабления, вызванного парамагнитным железом и дезоксигенированной кровью, каждый шаг эволюции сигнала регулируется магнитными свойствами ткани. Эффекты восприимчивости, улавливаемые изящно градиент-эхо последовательностями, обеспечивают клиницистам бесценное окно в состав ткани и патологию, с которыми не могут сравниться обычные методы спин-эхо. Достижения, такие как SWI и QSM, превратили качественное наблюдение в количественные биомаркеры, что позволяет более раннюю диагностику и более точный мониторинг в неврологических, сердечно-сосудистых и системных расстройствах. По мере того, как технология МРТ прогрессирует к более высоким силам поля и более сложным алгоритмам реконструкции, важность понимания намагниченности и восприимчивости будет только расти. Принципы, изложенные здесь, вооружают специалистов по визуализации знаниями, необходимыми для использования этих эффектов для улучшения ухода за пациентами.