Физика магнитно-резонансной ангиографии (мра) и визуализации кровеносных сосудов

Различные мягкие ткани демонстрируют характерные параметры релаксации, и эти различия составляют основу контраста тканей в обычной МРТ. Однако в МРТ текущая кровь представляет собой уникальное релаксационное поведение, которое может быть использовано для создания высокого контраста сосуда на фоне.

Градиентные поля и пространственное кодирование

Для получения изображений, а не простых спектров, МРТ-сканеры используют три ортогональных градиентных катушки, которые накладывают линейные изменения напряженности магнитного поля на объем изображения. Градиенты среза-выбора определяют, какая осевая плоскость возбуждается импульсом РЧ. Фазовое кодирование и частотно-кодирующие градиенты затем пространственно отображают излучаемые МР-сигналы в конкретные места в выбранном срезе. Необработанные данные, собранные в k-пространстве, представляют собой пространственное частотное представление, которое должно пройти преобразование Фурье для реконструкции конечного изображения. Понимание этого процесса кодирования важно для оценки того, как методы МРА могут избирательно подчеркивать или подавлять сигналы от движущихся протонов.

Основные физические принципы MRA

Методы MRA используют два фундаментальных свойства крови, которые отличают ее от стационарных тканей: физическое движение протонов через объем изображения и уникальное релаксационное поведение крови относительно окружающей паренхимы. Эти свойства позволяют использовать несколько различных физических механизмов для сосудистой визуализации.

Динамика потока и профили скорости крови

Кровоток в системе кровообращения человека проявляет сложную гидродинамическую структуру, непосредственно влияющую на поведение сигнала МРА. В крупных артериях поток преимущественно ламинарный с параболическим профилем скорости, то есть скорость потока наиболее высока в центре сосуда и приближается к нулю вблизи стенки сосуда. В более мелких сосудах и областях бифуркации поток может стать турбулентным или проявлять сложные вторичные структуры потока. Скорость кровотока в крупных артериях обычно колеблется от 50 до 120 см/с в аорте, в то время как скорости в более мелких периферических сосудах могут быть на порядок ниже. Эти различия скоростей значительно влияют на характеристики сигнала, наблюдаемые в различных последовательностях МРА.

Направление потока относительно плоскости визуализации одинаково критическое. Поток перпендикулярно срезу изображения производит максимальные изменения сигнала, в то время как поток в плоскости может производить более тонкие эффекты. Понимание этих характеристик потока позволяет радиологам и физикам оптимизировать параметры визуализации для разных сосудистых территорий.

Время полета MRA Physics

МРА по времени полёта является наиболее широко применяемой неконтрастной МРА техникой и опирается на физический принцип усиления, связанного с потоком. При типичном TOF-приобретении ряд РЧ-импульсов наносится на тонкий ломтик изображения с короткими интервалами повторения. Стационарная ткань внутри ломтика становится насыщенной, то есть её продольная намагниченность многократно снижается, прежде чем она сможет полностью восстановиться. Это приводит к низкому сигналу от стационарной фоновой ткани.

Механизм совершенствования, связанный с потоком

Свежая кровь, поступающая в срез изображения извне, не испытывала импульсов насыщения и поэтому сохраняет полную продольную намагниченность. Когда эта кровь впоследствии возбуждается следующим RF-импульсом, она производит гораздо более сильный сигнал, чем окружающая насыщенная ткань. Этот эффект известен как усиление притока, и он наиболее выражен, когда скорость кровотока достаточна для полной замены крови в срезе между последовательными RF-импульсами. Интенсивность сигнала текучей крови в TOF MRA пропорциональна скорости потока до точки насыщения, определяемой временем повторения и Т1 крови.

Ограничения TOF MRA

В то время как элегантный в своей простоте, TOF MRA имеет несколько физических ограничений. Медленно текущая кровь, встречающаяся в венах или дистальных артериальных сегментах, может стать насыщенной до выхода из объема визуализации, что приводит к потере сигнала. Турбулентный поток, особенно при бифуркациях сосудов или стенотических областях, вызывает дефазирование интравокселя, что проявляется как отсев сигнала. Кроме того, кровь с коротким временем релаксации T1, такая как метгемоглобин в тромбе, может имитировать текущую кровь и производить ложноположительные результаты. Эти физические ограничения мотивируют разработку альтернативных методов MRA для конкретных клинических сценариев.

Фазовая контрастность MRA Physics

Эта методика использует фазовые контрасты, накопленные при движении спинов, когда они проходят через градиенты магнитного поля. Эта методика обеспечивает не только анатомические изображения кровеносных сосудов, но и количественную информацию о скорости, которая неоценима для оценки гемодинамической значимости сосудистых поражений.

Скорость кодирования градиентов

Биполярный градиентный импульс прикладывается вдоль выбранного направления. Стационарные спины испытывают равное количество накопления положительной и отрицательной фаз из двух градиентных долей, в результате чего происходит нулевой сдвиг фазы. Движущиеся спины, однако, испытывают чистый фазовый сдвиг, пропорциональный их скорости вдоль градиентного направления. Приобретая два набора изображений с противоположными градиентными полярностями и вычитая их, стационарный фоновый сигнал устраняется, а оставшийся сигнал пропорционален скорости кровотока. Значение кодирования скорости, обозначаемое VENC, задает максимальную скорость, которую можно однозначно измерить; скорости, превышающие VENC, производят фазовое псевдонимирование, затрудняющее интерпретацию.

Количественная оценка кровотока

Одной из самых мощных возможностей фазово-контрастного МРА является способность измерять объемные скорости потока через отдельные сосуды. Интегрируя измерения скорости поперечного сечения сосуда по сердечному циклу, клиницисты могут вычислять такие параметры, как объем инсульта, сердечный выброс и распределение потока к конкретным органам. Эта количественная информация становится все более важной при оценке таких состояний, как регургитация аорты, шунтирование и нарушения цереброваскулярного потока.

Контрастно-усиленная MRA

Контрастно-усиленный MRA представляет собой принципиально другой физический подход к визуализации сосудов, опираясь на эффект укорочения T1 парамагнитных контрастных агентов, а не на динамику потока для визуализации сосудов.

Контрастные агенты на основе гадолиния

Клинически одобренные хелаты гадолиния содержат семь непарных электронов, которые создают сильные колебания локального магнитного поля. Когда эти агенты вводятся внутривенно, они распределяются внутри сосудистого отсека во время первого прохода и резко сокращают время релаксации Т1 крови. Типичные значения Т1 крови при 1,5 Тесла уменьшаются примерно с 1200 миллисекунд до примерно 100 миллисекунд после контрастного введения. Это глубокое укорочение позволяет визуализировать с очень короткими повторами при сохранении высокого сигнала от крови, эффективно устраняя эффекты насыщения, которые ограничивают TOF MRA.

Сроки рассмотрения в CE-MRA

Физическое время получения изображения относительно контрастной инъекции имеет решающее значение для успешного CE-MRA. Артериальная фаза начинается примерно через 15-25 секунд после начала инъекции в периферической циркуляции, в зависимости от места инъекции и специфических для пациента факторов, включая сердечный выброс. Для синхронизации приобретения центральных k-пространственных линий с пиковым артериальным усилением обычно используется тест синхронизации или автоматизированный алгоритм обнаружения болюса. Поздняя фаза визуализации может демонстрировать венозные структуры, что может быть желательным для некоторых показаний, но проблематичным для других. Переходный характер усиления первого прохода делает CE-MRA особенно чувствительным к ошибкам синхронизации.

Передовые методы и приложения MRA

Продолжающаяся эволюция физики MRA продолжает создавать новые методы, которые устраняют давние ограничения и расширяют клинические возможности.

4D поток МРТ

Четырехмерная МРТ потока, также называемая трехмерной МРТ фазового контраста с разрешением во времени, получает данные о скорости во всех трех пространственных измерениях на протяжении всего сердечного цикла. Эта техника обеспечивает всеобъемлющую гемодинамическую информацию, включая пиковые скорости, объемы потока, напряжение сдвига стенки и оценки градиента давления на всей сосудистой территории. Время приобретения для 4D потока остается относительно длинным, обычно от 10 до 20 минут, но продолжающиеся достижения в области сжатого зондирования и параллельной визуализации делают эту технику все более практичной для клинического использования.

Неконтрастные MRA-продвижения

Опасения по поводу удержания гадолиния в тканях возобновили интерес к неконтрастным методам МРА за пределами традиционных ТОФ. Электрокардиографически закрытые методы, такие как свежая визуализация крови и сбалансированные устойчивые свободные прецессионные последовательности, могут производить высококачественные сосудистые изображения без экзогенного контраста. Эти методы часто используют дифференциальное расслабление T2 между насыщенной кислородом и дезоксигенированной кровью или используют специфические импульсы подготовки для подавления фоновых тканей при сохранении сигнала крови.

Черная кровь на фотографиях

В то время как большинство методов МРА направлены на то, чтобы кровеносные сосуды выглядели яркими относительно фона, черная визуализация крови служит дополнительной цели подавления светового сигнала для улучшения визуализации стенки сосуда. Импульсы подготовки к двойной инверсии аннулируют сигнал от протекающей крови при сохранении сигнала от стационарных тканей. Этот подход особенно ценен для характеристики патологии артериальной стенки, такой как атеросклероз, васкулит и рассечение, где настенные аномалии являются основным открытием, а не сужением света.

Клинические применения и диагностическая полезность

Описанные выше физические принципы непосредственно переводятся в клинические диагностические возможности в различных системах органов.Выбор соответствующей методики МРА зависит от интересующей вас сосудистой территории, характеристик пациента и конкретного клинического вопроса, который рассматривается.

Внутричерепная MRA

Время полета МРА остается рабочей лошадкой для неинвазивной оценки внутричерепной циркуляции. Трехмерные приобретения ТОФ с множественными перекрывающимися тонкими плитами обеспечивают отличную визуализацию Круга Уиллиса и его основных ветвей. Обнаружение внутричерепных аневризм, артериовенозных пороков и сосудистых окклюзий являются одними из наиболее распространенных показаний. Чувствительность ТОФ МРА для обнаружения аневризм размером более 5 мм превышает 90 процентов в опытных центрах.

Периферийный MRA

Контрастно-усиленный МРА является предпочтительным методом оценки периферической артериальной системы от аорты живота до педальных сосудов. Методы Болуса-погони, которые следуют контрастному болюсу через несколько станций во время одной инъекции, обеспечивают комплексную ангиографию стока без воздействия ионизирующего излучения обычной цифровой ангиографии вычитания. Чувствительность CE-MRA для обнаружения гемодинамически значимых стенозов в нижних конечностях колеблется от 88 до 97 процентов в опубликованных исследованиях.

Почечная и мезентериальная МРА

Для оценки почечной и брыжеечной циркуляции используются как TOF, так и CE-MRA. Контрастная фаза MRA позволяет количественно оценить поток почечной артерии, что может помочь определить гемодинамическое значение остриальных стенозов. Особенно ценны методы, связанные с кардиостимуляторами, для визуализации брыжеечных сосудов, где дыхательное движение и перистальтика создают дополнительные проблемы с визуализацией.

Артефакты и стратегии смягчения

Физические артефакты, возникающие в результате сложного взаимодействия потоков, магнитных полей и параметров получения изображения, представляют собой основное ограничение MRA. Понимание происхождения этих артефактов позволяет их распознавать и смягчать. Артефакты пульсации возникают из-за циклического изменения скорости крови в течение сердечного цикла и могут вызывать привидение в фазовом направлении. Артефакты химического сдвига возникают на интерфейсах жирной воды из-за различий в резонансной частоте и могут имитировать аномалии стенок сосудов. Артефакты восприимчивости от металлических имплантатов, хирургических клипсов или интерфейсов воздушных тканей вызывают локальную потерю сигнала и геометрические искажения. Стратегии, такие как сердечный прорезывание, подавление жира и короткие поглощения эхо-времени, помогают минимизировать эти физические источники деградации изображения.