Table of Contents

Понимание использования методов подавления жира в МРТ и их физике

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из самых универсальных и мощных методов визуализации в современной медицине, предлагая исключительный контраст мягких тканей без ионизирующего излучения. Однако врожденный сигнал из жировой ткани часто маскирует основную патологию или отвлекает от областей, представляющих интерес. Методы подавления жира были разработаны для преодоления этого ограничения, что позволяет рентгенологам визуализировать поражения, отеки, воспаление и усиление контраста с гораздо большей ясностью. В этой статье исследуется фундаментальная физика, лежащая в основе подавления жира, рассматриваются наиболее часто используемые методы, обсуждаются их клинические применения и выделяют практические соображения для оптимального качества изображения.

Физика, которая делает возможным подавление жира

Чтобы понять, как работает подавление жира, важно понять основные принципы МРТ. Сигнал в МРТ исходит в основном из ядер водорода (протонов) в воде и жире. Хотя оба они в изобилии в организме человека, они существуют в немного разных химических средах. Протоны воды связаны в молекулах H2O, тогда как протоны жира находятся в длинных углеводородных цепях в триглицеридах. Эта разница в молекулярной структуре приводит к явлению, известному как химический сдвиг .

В магнитном поле резонансная частота протона пропорциональна местному магнитному полю, которое он испытывает. Электроны, окружающие ядро, защищают его от основного магнитного поля, изменяя эффективное поле. Жирные протоны более экранированы, чем водные протоны из-за плотности электронов в углерод-водородных связях. В результате жир резонирует на частоте примерно на 3,5 части на миллион (ppm) ниже, чем вода — примерно на 220 Гц ниже при 1,5 Тесла и 440 Гц при 3,0 Тесла. Эта разница частот является основой для частотно-селективных методов подавления жира.

Кроме того, жир и вода имеют разное время релаксации. Жир имеет короткое время релаксации T1 (приблизительно 200-300 мс при 1,5 Т) по сравнению с богатыми водой тканями (например, мышцами ~ 870 мс, спинномозговой жидкостью ~ 3000 мс). Эта разница T1 используется методами инверсии-восстановления, такими как STIR.

Другим важным физическим эффектом является химический сдвиг артефакта, который проявляется в виде яркой или темной полосы на интерфейсах жирной воды. Хотя этот артефакт часто нежелателен, он также является основой для таких методов, как визуализация Диксона, которая использует фазовые различия между жиром и сигналами воды для создания отдельных изображений жира и воды.

Основные методы подавления жира

Существует несколько различных методов подавления жирового сигнала, каждый со своими сильными и слабыми сторонами и оптимальными клиническими применениями. Наиболее широко используемые подходы включают частотно-селективные методы насыщения жиров, STIR, водное возбуждение и химические методы на основе сдвигов (Dixon).

Частота-селективная насыщенность жиром (Fat Sat)

Частотно-селективное насыщение жиром, часто просто называемое «жировым сатаном», является наиболее распространенной техникой в рутинной МРТ. Он работает, применяя узкополосный радиочастотный (RF) импульс, специально настроенный на резонансную частоту жира. Этот импульс избирательно возбуждает жировые протоны, наклоняя их намагниченность в поперечную плоскость. Сразу после этого градиент спойлера ослабляет сигнал жира, так что, когда начинается основная последовательность визуализации, жир практически не производит сигнал. Водяные протоны, будучи нерезонансными, остаются в значительной степени незатронутыми.

Преимущества:] Жировое сидение быстро, легко реализуется на современных сканерах и обеспечивает равномерное подавление жира в областях с однородными магнитными полями. Хорошо работает в таких областях, как мозг, грудь и конечности, когда поле правильно смягчено.

Ограничения: Методика очень чувствительна к неоднородностям поля В0. В регионах с большими вариациями магнитной восприимчивости, таких как интерфейсы около воздушных тканей (синусы, шея) или металлические имплантаты, подавление жира становится неравномерным или неисправным. Он также увеличивает удельную скорость поглощения (SAR) из-за дополнительного импульса РЧ и может немного продлить время сканирования.

Клиническое использование: Обычные в контрастно-усиленных T1-взвешенных последовательностях, постконтрастной МРТ молочной железы и опорно-двигательной томографии для обнаружения отека костного мозга или мягких тканей масс.

Короткое восстановление инверсии TI (STIR)

STIR - это метод инверсии-восстановления, который опирается на релаксационные свойства жира T1, а не на его химический сдвиг. Сначала применяется инверсионный импульс 180°, инвертирующий продольную намагниченность всех тканей. Затем система ожидает определенного времени инверсии (TI) - обычно 150-170 мс при 1,5 Т - что соответствует времени, когда намагниченность жира проходит через ноль (нулевая точка). В этот момент инициируется последовательность визуализации, и жир не вносит сигнал. Между тем, ткани с более длинными значениями T1 (например, отек, мышца) частично восстановились и производят сильный сигнал.

Преимущества: STIR очень устойчив к неоднородностям B0, потому что он не зависит от частотной селективности. Он обеспечивает равномерное подавление жира даже в сложных анатомических областях (например, шее, позвоночнике или вокруг металла).STIR также может быть объединен с подавлением жидкости (FLAIR) в мозге.

Ограничения: STIR имеет более низкое отношение сигнал/шум (SNR), чем жир, сидимый из-за штрафа за восстановление инверсии. Кроме того, поскольку он подавляет все ткани с коротким T1 (не только жир), он может непреднамеренно подавлять контрастные поражения, которые имеют T1 укорочение (например, кровоизлияние, гадолиний-усиление ткани).

Клиническое использование: Широко используется в опорно-двигательной МРТ для выявления отека костного мозга (например, стрессовых переломов, остеомиелита), при визуализации позвоночника и при визуализации тела, где неоднородность поля проблематична.

Методы водного возбуждения

Методы возбуждения воды используют серию радиочастотных импульсов и градиентов для избирательного возбуждения только водных протонов, оставляя жировые протоны без поперечного намагничивания. Наиболее распространенным подходом является последовательность Биномиальный импульс (например, 1-2-1, 1-3-3-1). Эти составные импульсы разработаны так, что чистый эффект для жира равен нулю (или небольшой остаточный сигнал), в то время как вода полностью возбуждена. Другим вариантом является метод Только возбуждение воды (WET) , который использует поезд импульсов с низким углом поворота.

Преимущества:] Возбуждение воды может быть более SAR-эффективным, чем сатира, поскольку она избегает отдельного импульса насыщения. Она также менее чувствительна к неоднородностям B0, чем частотно-селективное насыщение. В некоторых реализациях она улучшает профиль среза.

Ограничения: Эффективность подавления может быть меньше, чем у жировой сажи, и техника требует тщательной калибровки амплитуды и фаз импульсов РЧ. Она также зависит от последовательности и может быть доступна не на всех платформах.

Клиническое использование: Часто используется в 3D градиент-эхо последовательностях (например, VIBE, THRIVE, LAVA) для абдоминальной и тазовой визуализации, а также в хрящевой визуализации, где требуется равномерное подавление подкожного жира.

Химические методы на основе смещения (диксонов)

Методы Диксона, названные в честь физика, который впервые описал их, используют разницу фаз между сигналами жира и воды. Когда приобретение спин-эха или градиент-эха выполняется в определенное время эха (TE), жир и вода могут быть либо в фазе, либо в противоположной фазе. Например, при 1,5 Т жир и вода находятся в фазе при множителях TE 4,6 мс и в противоположной фазе при множителях TE 2,3 мс. Приобретая два или более изображения в разных TE, можно алгебраически разделить сигналы жира и воды. Современные алгоритмы Диксона «двух- и трех-точечных» корректируют неоднородности поля и производят отдельные изображения только жира, только воды, в фазе и в противоположной фазе.

Преимущества: Методы Диксона обеспечивают надежное подавление жира даже при тяжелых неоднородностях B0. Они обеспечивают как подавленные жиром, так и неподавленные жиром изображения из одного приобретения, которые могут быть полезны для диагностики. SNR также выше, чем STIR, потому что нет штрафа за восстановление инверсии. Только изображение воды, как правило, не содержит артефакта химического сдвига.

Ограничения: Диксону требуется несколько эхо, удлинение времени сканирования. Также требуется сложная постобработка коррекции для фазового разворачивания. Перекрытие пиков жира и воды (например, в присутствии определенных липидов) может вызвать ошибки. Тем не менее, современные реализации (например, IDEAL, mDixon) становятся все более надежными.

Клиническое использование: Быстро растет популярность; используется в МРТ молочной железы, опорно-двигательной томографии, количественной оценке жира в печени и МРТ всего тела. Метод особенно ценен в регионах с металлическими имплантатами, потому что он может поддерживать качество подавления.

Практические факторы, влияющие на качество подавления жира

Независимо от выбранного метода, несколько практических факторов могут ухудшить подавление жира и должны учитываться при оптимизации протоколов.

Магнитное поле гомогенности (Shimming)

Однородное магнитное поле имеет решающее значение для частотно-селективных методов. Большие неоднородности статического поля вызывают появление жира на разных частотах по всему полю зрения, что делает один узкополосный радиочастотный импульс неспособным насыщать весь жир. Локализованное переключение (например, с использованием тряпок второго порядка) значительно улучшает подавление жира в сложных областях, таких как плечо, шейный отдел позвоночника и грудь. Диксон и STIR гораздо более терпимы к бедному трясине.

Химический сдвиг и отвращение

Химический сдвиг также может вызвать искажение регистрации артефактов, особенно в направлении частотного кодирования. Этот артефакт появляется в виде яркой полосы на одной стороне интерфейса жирной воды и темной полосы на другой. В то время как подавление жира уменьшает сигнал от жира, это не устраняет пространственный сдвиг. Тщательный выбор полосы пропускания и эхо-времени может смягчить этот эффект.

Жировой контент и композиция

Не все жиры идентичны. Химический сдвиг олефиновых протонов (присутствующих в ненасыщенных жирах) может незначительно отличаться от насыщенных жиров, что приводит к неполному подавлению частотно-селективными импульсами. Кроме того, очень небольшое количество жира (например, микроскопический жир при печеночном стеатозе) может быть не полностью подавлено. STIR и Диксон, как правило, меньше подвержены влиянию жирового состава.

Тип последовательности и параметры

Последовательности спин-эхо и градиент-эхо ведут себя по-разному в отношении подавления жира. Например, быстрые последовательности спин-эхо по своей сути скрашивают жир из-за J-связи, что делает подавление жира более сложным. Турбо-фактор (длина эхо-поезда) также может влиять на распад жира T2, изменяя его внешний вид. Тщательная настройка параметров (например, более длинный эхо-поезд? Более короткий TE?) необходима для достижения оптимального подавления.

Клинические применения жировой супрессии

Подавление жира интегрировано практически во все подспециальности МРТ. Ниже приведены некоторые ключевые области, где оно незаменимо.

Мускулоскелетная визуализация

В МРТ MSK подавление жира используется для обнаружения отеков костного мозга (например, оккультных переломов, остеомиелита, контузий) и для характеристики масс мягких тканей. Последовательности с подавлением жира T2 (часто STIR или T2 fat sat) являются стандартными для оценки повреждений связок и сухожилий. В хрящевой визуализации подавление жира помогает очертить хондральные поверхности. Радиопадия обеспечивает полный обзор методов МРТ MSK.

Фотография груди

МРТ молочной железы в значительной степени зависит от подавления жира, особенно для исследований с усиленным контрастом. Яркий сигнал от фиброгландулярной ткани и жира может затенить усиливающие поражения. Динамические контрастные последовательности с высоким разрешением с частотно-селективным насыщением жиром (например, VIBE с жировым сидением) являются стандартом ухода за скринингом и постановкой рака молочной железы. Параметры практики ACR рекомендуют последовательное подавление жира для МРТ молочной железы.

Абдоминальная и тазовая визуализация

В области живота подавление жиров улучшает визуализацию поджелудочной железы, надпочечников, почек и печени. Это необходимо для выявления инфильтрации поджелудочной железы (замена жиров) и для характеристики надпочечниковых масс (например, аденомы, богатые внутриклеточным жиром, теряют сигнал на изображениях противоположной фазы). Методы Диксона все чаще используются для количественной оценки железа печени и жира. В МРТ таза подавление жиров помогает в оценке эндометриоза, масс яичников и рака предстательной железы (например, диффузионно-взвешенная визуализация с подавлением жира).

Нейроизображение

В мозге и позвоночнике подавление жира обычно используется для дифференциации жировосодержащих поражений (например, дермоидов, липом) от кровоизлияния. Он также используется в орбитальной МРТ для уменьшения сигнала от внутриорбитального жира, что позволяет лучше визуализировать зрительный нерв. В позвоночнике последовательности STIR отлично подходят для обнаружения метастазов позвоночного тела и воспалительных изменений. Статьи PubMed подробно описали полезность STIR в спинальной онкологии.

Сосудистая и сердечная визуализация

В МР-ангиографии подавление жира снижает сигнал от перикардиального и средостенного жира, улучшая видимость просвета и стенок сосудов. Последовательности черной крови также используют подавление жира для визуализации стенок сосудов и обнаружения бляшек. В сердечной МРТ подавление жира помогает в оценке аритмогенной правожелудочковой кардиомиопатии (АРВК) путем выделения фиброжировой замены миокарда.

Передовые и новые технологии

В то время как классические методы остаются рабочими лошадками, новые подходы продолжают развиваться, предлагая улучшенную скорость, надежность и количественные возможности.

Итеративные методы Диксона (mDixon, IDEAL)

Современные итеративные алгоритмы разложения наименьших квадратов (например, IDEAL - итеративное разложение воды и жира с оценкой эхо-асимметрии и наименьших квадратов) обеспечивают высококачественное разделение жирной воды даже с шумными данными или неоднородными полями. Эти методы могут приобретать несколько эхо в одном повторении, что позволяет быстро подавлять жир всего тела. Образовательные ресурсы ISMRM охватывают технические детали этих продвинутых вариантов Диксона.

Сжатое восприятие и глубокое обучение

Методы ускорения, такие как сжатое зондирование, могут сократить время сканирования для приобретений Dixon, что делает их клинически более осуществимыми. Глубокое обучение на основе реконструкции в настоящее время применяется для подавления жира: нейронные сети могут предсказать разделение жира и воды от одноэхо приобретения, ускоряя рабочий процесс. Некоторые поставщики предлагают AI-ассистирование, которое предсказывает оптимальные настройки шим для последовательностей насыщения жира.

Синтетическая жировая подавленность

Еще одним интересным событием является синтетическое подавление жира, когда изображение, не подверженное жировому подавлению, превращается в аналог с жировым подавлением через постобработку. Модели глубокого обучения, обученные на парных данных, могут генерировать только изображения воды из рутинных приобретений. Хотя этот подход еще не является стандартным, он может сократить время сканирования и устранить необходимость в выделенных последовательностях подавления жира.

Вызовы и подводные камни

Даже при современных методах подавление жира может потерпеть неудачу. Общие подводные камни включают недостаточное дрожание, непреднамеренное подавление воды (например, в STIR, когда TI неправильно установлен), и артефакты из нерезонансного жира (например, в присутствии больших металлических имплантатов). Радиологи должны знать об этих потенциальных неудачах, чтобы избежать неправильного диагноза. Например, бедная липидами адреналовая аденома не может подавлять на противофазной визуализации, что приводит к ложноположительной диагностике. И наоборот, небольшое усиливающее поражение может быть скрыто, если подавление жира неоднородно.

Другая проблема заключается в гетерогенном подавлении в груди, где наличие силиконовых имплантатов или хирургических клипсов создает локальные искажения поля. В таких случаях STIR или Диксон могут быть предпочтительными по сравнению с жирным сиденьем. Аналогично, в шейном отделе позвоночника, плохая шимба из-за интерфейсов воздушно-мягкой ткани часто требует последовательности STIR.

Оптимизация выбора протокола

Выбор правильной техники подавления жира зависит от анатомической области, клинического вопроса, силы поля и доступных возможностей сканера.

  • Использовать частотно-селективный жир сидел для: контрастно-усиленный МРТ тела и груди, конечности MSK высокого разрешения (с хорошим переливом) и мозг / орбиты, где жир минимален.
  • Используйте STIR для: MSK травмы/отек, позвоночника, шеи, и любой области с плохой B0 однородности (например, около металла).
  • Использовать водное возбуждение для: 3D градиент-эхо последовательностей в области живота и таза, когда SAR является проблемой.
  • Использовать Dixon/IDEAL для: визуализации всего тела, количественной оценки жира в печени, надежного подавления жира с помощью металла, и всякий раз, когда как в фазе, так и в противоположной фазе изображения клинически ценны.

Заключение

Методы подавления жира не являются простым «добавлением» в МРТ; они являются фундаментальными инструментами, которые значительно повышают диагностическую уверенность. Понимание основной физики — химического сдвига, различий T1 и фазовой эволюции — позволяет радиологам и технологам выбирать оптимальный метод для каждого клинического сценария. Независимо от того, использует ли частотно-селективная насыщенность для своей скорости и простоты, STIR для своей надежности или Dixon для своей универсальности, овладение этими методами приводит к более качественной визуализации и улучшению результатов пациентов. Поскольку глубокое обучение и синтетическая визуализация продолжают созревать, будущее подавления жира обещает еще большую надежность и скорость, дальнейшее расширение возможностей МРТ в клинической практике.