Как магнитно-резонансная печать (mrf) использует физику для количественной оценки свойств тканей

Физическая основа магнитно-резонансной визуализации

Магнитно-резонансная томография (МРТ) давно стала краеугольным камнем медицинской диагностики, предлагая высокоразрешенные, неинвазивные изображения мягких тканей. В своей основе МРТ использует квантово-механические свойства спина, которым обладают ядра водорода (протоны) в воде и жире. При размещении в сильном статическом магнитном поле эти спины выравниваются и прецессируют на частоте Лармора, пропорциональной силе поля. Радиочастотный (РЧ) импульс, настроенный на эту частоту, наводит спиновую намагниченность на поперечную плоскость. После прекращения импульса спины расслабляются обратно в равновесие посредством двух независимых процессов: продольного восстановления (релаксация T1) и поперечного распада (релаксация T2/T2*). Эти времена релаксации чувствительны к местной биохимической и структурной среде и значительно различаются по тканям. Обнаружение сигналов происходит через катушки приемника, а пространственное кодирование достигается через градиентные поля, что позволяет реконструировать анатомические изображения.

Несмотря на свою мощность, обычная МРТ в значительной степени качественная. Контраст изображения зависит от параметров сканирования (время повторения TR, время эха TE, угол переворачивания), которые выбираются для подчеркивания различий в плотности T1, T2 или протоне (PD). Полученные изображения содержат относительные интенсивности сигнала, которые не воспроизводимы в сканерах, участках или времени. Низкий сигнал T1 в одном сканировании может казаться высоким в другом из-за различий в нагрузке катушки, настройках усиления или параметрах последовательности. Эта качественная природа ограничивает способность выполнять продольные сравнения, многоцентровые испытания или абсолютную характеристику ткани.

Ограничения качественной МРТ

Радиологи полагаются на распознавание образов и субъективную интерпретацию контрастных различий. Тонкие изменения в заболевании — такие как отек, воспаление или ранний фиброз — могут быть упущены, если контраст не оптимизирован. Более того, известна изменчивость между наблюдателями. Были разработаны количественные подходы (Т1 картирование, Т2 картирование, диффузионная тензорная визуализация), но большинство из них требуют множественных отдельных приобретений, продления времени сканирования и введения артефактов движения. Даже эти методы часто являются параметрическими картами одного свойства, упускающими богатство многопараметрической информации. Магнитно-резонансная печать (МРФ) была введена для преодоления этих ограничений путем одновременного измерения нескольких свойств тканей в одном быстром приобретении с использованием принципиально другой парадигмы, уходящей корнями в физику.

Что такое магнитно-резонансная печать пальцев?

Магнитно-резонансная печать отпечатков пальцев, впервые описанная Ma et al. в 2013 году (]Nature, 2013], переосмысляет МРТ как проблему распознавания образов, а не проблему формирования изображения. Вместо того, чтобы создавать изображения с фиксированным контрастом, MRF генерирует уникальную эволюцию временного сигнала — отпечаток пальца — для каждого вокселя, применяя непрерывно изменяющуюся последовательность импульсов RF, углов переворачивания и градиентных моментов. Это псевдослучайное приобретение заставляет намагничивание следовать сложной, зависящей от ткани траектории, которая кодирует одновременно множество внутренних свойств (T1, T2, PD, внерезонансная, а иногда и другие). Измеренная эволюция сигнала затем сравнивается с большим предвычисленным словарем сигналов, генерируемых из физической модели уравнения Блоха. Лучшая подходящая запись в словаре дает количественные значения свойств для этого вокселя. Результатом является набор параметрических карт, которые по своей сути совместно зарегистрированы, по своей природе количественные и приобретенные за долю времени

Название «отпечаток пальцев» отражает идею о том, что эволюция сигнала столь же уникальна, как и человеческий отпечаток пальца — различные ткани (например, серое вещество, белое вещество, спинномозговая жидкость) производят различные временные паттерны, которые можно распознать и классифицировать.

Физика-управляемый дизайн последовательностей импульсов

Сердце MRF лежит в физике спиновой динамики. Приобретение использует последовательность изменяющихся импульсов RF (углы скольжения от почти нуля до 180 градусов) с различными повторениями (TR) и порядками кодирования градиента. Эта преднамеренная нерегулярность гарантирует, что намагниченность никогда не достигает устойчивого состояния, в результате чего эволюция сигнала нелинейно зависит от основных параметров ткани. Например, в оригинальной реализации MRF спиральная траектория k-пространства использовалась с рисунком 500 или более точек времени, каждая с различным углом скольжения и TR. Удельная последовательность предназначена для максимизации чувствительности сигнала к вариациям в T1, T2 и внерезонансной, а также устойчива к системным несовершенствам, таким как неоднородности B0 и B1.

Уравнения Блоха — фундаментальные дифференциальные уравнения, описывающие ядерную намагниченность в магнитном поле — используются для имитации эволюции сигнала для каждой возможной комбинации параметров. Этот словарь может содержать миллионы записей. Физическая модель включает в себя такие эффекты, как формы импульсов RF, релаксация, диффузия и даже кровоток, если требуется перфузия. Обеспечивая, чтобы приобретение и моделирование имели одинаковые шаги времени, словарь может предсказать точный сигнал, который наблюдался бы для данного вокселя в идеальных условиях. Процесс сопоставления может быть выполнен с использованием сопоставления шаблонов (крест-корреляция) или более продвинутых методов, таких как разложение сингулярных значений (SVD), чтобы уменьшить размер словаря. Физика гарантирует, что словарь точно представляет реальность, делая MRF по-настоящему количественным методом.

Одновременный многопараметровый код

Поскольку отпечаток пальца интегрирует T1, T2 и PD в единую эволюцию, MRF может выводить все три карты из одного приобретения. Это является основным преимуществом перед обычным количественным отображением, которое обычно требует отдельных последовательностей для каждого параметра (например, инверсионное восстановление для T1, многоэхо спиновое эхо для T2). Дополнительные параметры, такие как карта поля B0, поле передачи B1 + и даже перфузия или диффузия, могут быть включены путем расширения последовательности импульсов и размерности словаря. Эта способность получать несколько количественных карт одновременно без дополнительного времени сканирования является ключевым преимуществом.

Как MRF определяет свойства тканей

После приобретения необработанные данные k-пространства реконструируются во временную серию изображений с использованием раздвижного окна или сжатой реконструкцией зондирования (из-за недостаточной выборки данных). Каждый воксель теперь имеет временные ряды значений сигнала, как правило, 100-1000 временных точек. Этот измеренный сигнал нормализуется и сравнивается с каждой записью в словаре. Соответствие обычно оценивается точечным продуктом или коэффициентом корреляции. Словарная запись с самой высокой корреляцией обеспечивает количественные значения T1, T2 и PD для этого вокселя. Необязательно, словарная запись также может включать нерезонансную частоту (связанную с неоднородностью B0) и коэффициентом масштабирования B1.

Поскольку словарь генерируется из физических симуляций, значения являются абсолютными и воспроизводимыми. Например, T1 здорового белого вещества при 3T составляет примерно 1000-1100 мс, T2 около 60-70 мс. Опухоль с пролонгированными T1 и T2 будет соответствующим образом сдвинет отпечаток пальца. Параметрические карты затем отображаются в виде цветных или серых изображений, что позволяет клиницистам видеть пространственное распределение каждого свойства.

Количественный характер MRF поддерживает объективную характеристику тканей. Исследования показали, что MRF может различать нормальную ткань мозга и поражения при рассеянном склерозе, между классами опухолей при глиомах и между здоровым и фиброзным миокардом при сердечной визуализации. Поскольку значения абсолютны, их можно сравнивать между пациентами и временем, облегчая мониторинг заболеваний и оценку реакции на лечение.

Пример сопоставления отпечатков пальцев

Рассмотрим воксель, содержащий чистую спинномозговую жидкость (CSF). CSF имеет очень длинные T1 (~ 3000-4000 мс при 3T) и длинные T2 (~ 2000 мс). Эволюция сигнала под последовательность MRF покажет медленное восстановление после каждого инверсионного импульса, и картина пиков и впадин будет отличаться от модели серого вещества (более короткий T1, более короткий T2). Словарь содержит смоделированную запись для этих точных значений T1/T2. Алгоритм сопоставления находит самое близкое соответствие, и полученные параметрические карты показывают соответствующие количественные значения. Этот процесс повторяется для каждого вокселя в объеме изображения, генерируя полные карты за минуты.

Клинические применения и преимущества

Мозговые изображения

MRF широко изучался в нейровизуализации. Он может генерировать карты Т1, Т2 и ПД всего мозга менее чем за одну минуту с субмиллиметровым разрешением. Приложения включают:

Кардиологическая визуализация

В сердце миокардиальные Т1 и Т2 являются маркерами фиброза, отеков и перегрузок железом. Обычная кардиомиоритография требует длительных задержк и множественных приобретений. МРФ может картировать миокард в одиночную задержку дыхания (около 15-20 сердечных сокращений), обеспечивая одновременные карты Т1 и Т2. Это особенно ценно для выявления острого миокардита (повышенный Т1 и Т2) и хронического инфаркта (повышенный Т1, нормальный Т2). Пациенты с амилоидозом сердца демонстрируют заметно повышенный миокард Т1, который можно количественно оценить с помощью МРФ.

Абдоминальная и тазовая визуализация

Печень MRF может измерять T1 и T2 для оценки фиброза и стеатоза. Обнаружение рака простаты может извлечь выгоду из карт текстуры MRF, которые отличают опухоль от доброкачественной ткани. MRF применяется при 3T и 1,5T, и предпринимаются усилия по стандартизации протоколов между поставщиками.

Основным преимуществом MRF во всех приложениях является воспроизводимость. Поскольку выходная последовательность не зависит от настроек оператора и ежедневной вариации сканера, MRF позволяет проводить настоящие многоцентровые клинические испытания и продольный мониторинг пациентов. Он также сокращает время сканирования - типичное приобретение MRF мозга составляет 30-60 секунд по сравнению с 10-15 минутами для нескольких обычных параметрических последовательностей отображения.

Проблемы и ограничения

Несмотря на свои обещания, MRF сталкивается с несколькими препятствиями. Словарь может стать огромным, когда включает в себя несколько параметров (например, T1, T2, PD, B0, B1). Наивный 5D-словарь со 100 значениями каждый будет содержать 1010 записей, что вычислительно неразрешимо. Практические реализации уменьшают размерность с использованием редкости (например, только подмножество комбинаций физиологически правдоподобно) или с использованием низкоуровневых приближений, таких как SVD. Сжатая реконструкция зондирования и параллельная визуализация, еще одна проблема: движение пациента во время длительного приобретения (хотя короткое по сравнению с другими протоколами) может повредить отпечаток пальца. Разрабатываются такие методы, как низкоуровневое плюс разложение или ретроспективная коррекция движения.

Еще одним ограничением является необходимость точных физических моделей. Если в словаре не учитываются системные неидеальности (например, вихревые токи, градиентные нелинейности, несовершенства RF-импульсов), сопоставление может дать предвзятые оценки. Необходимы калибровки и оптимизация последовательности, специфичные для поставщика. Кроме того, алгоритм сопоставления чувствителен к шуму; при очень низком соотношении сигнал-шум (SNR) отпечатки пальцев становятся двусмысленными. Исследования инверсии отпечатков пальцев на основе глубокого обучения (], например, MRF с нейронными сетями ) обещают решить проблему устойчивости и скорости шума.

Стандартизация остается активной областью. Хотя MRF по своей сути является количественной, точные значения, полученные могут варьироваться в зависимости от конструкции последовательности (например, количество точек времени, углы переворачивания). Различия между поставщиками существуют, но консенсусные инициативы, такие как Альянс количественных биомаркеров изображений (QIBA), работают над стандартизацией протоколов MRF. Наконец, возмещение и одобрение регулирующих органов для новых количественных биомаркеров визуализации по-прежнему отстают от клинических исследований.

Будущие направления

MRF не является статической технологией; она продолжает быстро развиваться. Глубокое обучение начало заменять шаг сопоставления словаря нейронной сетью, которая непосредственно предсказывает свойства тканей от эволюции сигнала. Это сокращает время вычислений от минут до миллисекунд и может включать в себя предварительные знания. Другое направление - «сжатое восприятие MRF», где недооценка факторов 20-50 достигается с использованием априорных коэффициентов редкости. В реальном времени MRF с быстрыми спиральными или эхо-планарными траекториями может обеспечить динамическую визуализацию движущихся органов.

Исследуются многопараметрические расширения: МРФ с диффузионным кодированием (D-MRF) может одновременно отображать T1, T2 и кажущийся коэффициент диффузии (ADC). Перенос насыщения химического обмена (CEST) может быть интегрирован для измерения концентрации рН или метаболитов. МРФ для количественного картирования восприимчивости (QSM) также находится в стадии исследования. Эти передовые подходы обещают охарактеризовать ткани на молекулярном уровне, еще больше расширяя роль физики в МРТ.

На аппаратном уровне сверхвысокопольная 7T МРТ предлагает более высокую SNR и разрешение, но также и более тяжелую неоднородность B1. Врожденная устойчивость MRF к неоднородности B1 (посредством оценки параметров) делает его идеальным кандидатом для приложений 7T. MRF всего тела (]Feiweier et al., 2020 ) демонстрирует возможность для многоорганного скрининга в одной сессии.

Заключение

Магнитно-резонансная печать представляет собой сдвиг парадигмы от качественной контрастной визуализации к количественной, физико-управляемой характеристике ткани. Используя принципы физики магнитного резонанса для создания уникальных отпечатков пальцев сигналов, MRF предоставляет одновременные карты T1, T2 и PD в коротком, единственном приобретении. Методика снижает субъективность, улучшает воспроизводимость и позволяет новые клинические идеи в неврологии, кардиологии, онкологии и за ее пределами. В то время как проблемы остаются в размере словаря, движении и стандартизации, продолжающиеся достижения в алгоритмах реконструкции, машинном обучении и дизайне импульсной последовательности обещают сделать MRF стандартным инструментом в арсенале радиолога. Для тех, кто заинтересован в технических деталях, оригинальная статья Ma et al. (2013) и последующие обзоры обеспечивают глубокое понимание физики и техники MRF (] Панда и др., Радиология 2021 года может превратить медицинскую визуализацию в более точную, эффективную и количественную дисциплину.