Физика нулевого эха времени (zte) Mri для визуализации костей и тканей легких

Ключевые технические компоненты

• Тяжелый радиочастотный импульс: Очень блочный, кратковременный импульс, который возбуждает спины по широкой полосе пропускания, обеспечивая равномерное возбуждение даже в тканях с чрезвычайно коротким T2.
• Быстрое переключение передатчика-приемника: Система должна переключаться из режима передачи в режим приема в течение нескольких микросекунд. Этому способствуют выделенное аппаратное обеспечение и малошумные предусилители.
• 3D радиальная выборка с отбором проб рампы: Вместо декартового (ректилинового) k-пространства ZTE приобретает спицы в радиальном рисунке, начиная с центра k-пространства. Каждая спица отбирается во время нарастания градиента, устраняя необходимость портирования градиента или задержек фазового кодирования.
• Выборка k-космического центра: Поскольку плотность радиальной выборки центра, ZTE, естественно, обеспечивает высокое отношение сигнал-шум (SNR) из тканей короткого T2.

Сроки приобретения данных в ZTE против обычной МРТ

В типичной последовательности ZTE временная шкала: RF импульс (1-5 мкс) ⁇ мертвое время (2-5 мкс для переключения) ⁇ немедленно запустите выборку ADC, пока градиенты уже включены (установка). Первая точка данных собирается эффективно TE = 0. Напротив, обычные последовательности вставляют градиентные рефазирующие доли, фазовое кодирование и предварительный считывание, добавляя сотни микросекунд до миллисекунд до начала выборки.

ZTE против ультракороткого Эхо-времени (UTE)

Связанный с этим метод, ультракороткое Эхо-время (UTE) МРТ, также направлен на изображение коротко-Т2 тканей, но использует TE 8-100 мкс. ZTE может достичь еще более короткого эффективного TE (теоретически нулевого), потому что он пробует k-пространство от самого происхождения во время градиентного пандуса. UTE обычно использует полуимпульсные возбуждения и радиальную траекторию с некоторой задержкой. ZTE имеет преимущества в однородности RF возбуждения и избегания проблем срезового профиля. Однако ZTE страдает от более низкого SNR для очень коротких видов T2 по сравнению с UTE в некоторых реализациях. Выбор зависит от конкретной ткани интереса и аппаратных ограничений.

Для всестороннего сравнения читатели могут ознакомиться с обзором 2015 года, подготовленным Grodzki et al., в ZTE MRI или белой бумагой ISMRM по ультракороткой визуализации эхо-времени .

Изображение костей с помощью ZTE MRI

Кортикальная и трабекулярная визуализация костей

Кость представляет собой композитный материал: корковая кость (плотный внешний слой) и трабекулярная кость (губкая внутренняя сеть) имеют короткий T2 из-за плотно связанной воды и коллагена. ZTE может изображать корковую кость как гиперинтенсивный (яркий) слой, резко контрастирующий с соседним костным мозгом и мягкой тканью. Это позволяет оценивать контуры костей, переломы, эрозии и даже периостальные реакции без сигнальной пустоты, типичной для обычной МРТ. Исследования показали, что ZTE может обнаруживать эрозию кортикальной кости при ревматоидном артрите с точностью, сопоставимой с КТ.

Зубные и челюстно-лицевые применения

В полости рта ZTE MRI может очерчивать зубы, нижнечелюстную кору и височно-нижнечелюстный сустав без артефактов КТ. Это особенно ценно для пациентов, которым требуется повторная визуализация (например, мониторинг ортодонтического лечения или планирование имплантата), избегая ионизирующего излучения.

Оценка метаболизма и исцеления костей

Поскольку сигнал ZTE исходит из твердой матриксной воды, изменения содержания воды, такие как изменения, происходящие при остеопорозе, остеомиелите или заживлении переломов, вызывают измеримые изменения сигнала. Этот потенциал для количественного отображения гидратации костей и плотности коллагена является активной областью исследований.

Изображение легких с помощью ZTE MRI

Преодоление сигнальной пустоты легких

Ткань легких, как известно, трудно визуализировать с помощью МРТ из-за низкой плотности протона, тяжелых градиентов магнитной восприимчивости на интерфейсах воздушных тканей, сердечного / дыхательного движения и чрезвычайно короткого T2* (приблизительно 0,5-2 мс). Обычные последовательности дают почти нулевой сигнал от паренхимы легких. Способность ZTE захватывать сигнал сразу после возбуждения преодолевает распад, выявляя паренхиму легких как область умеренной интенсивности сигнала, с бронхами и сосудами, появляющимися как низкосигнальные структуры.

Клинические применения в легочной визуализации

ZTE MRI показал многообещающие результаты в идентификации:

• Легочные узелки и массы: Обнаружение твердых узелков размером до 5 мм, с чувствительностью, приближающейся к КТ для не кальцинированных узелков.
• Интерстициальная болезнь легких: Визуализация фиброзных изменений, непрозрачности стекла и соты.
• Кистозный фиброз и бронхоэктаз: Улучшенное изображение утолщения стенок бронхов и закупорки слизи.
• Легочная эмболия: ZTE может дополнять МР-ангиографию, показывая дефицит перфузии легких, вторичный по отношению к эмболии.

Перспективное исследование, опубликованное в Радиология (2018) , показало, что ZTE MRI может обнаруживать легочные узелки с чувствительностью 82% по сравнению с КТ, с уменьшенными ложными срабатываниями от мелких сосудов.

Проблемы и компенсация движения

Lung ZTE требует надежного дыхательного глотания или самонавигации, так как даже небольшое движение во время радиального приобретения может производить режущие артефакты. Недавние разработки в области реконструкции, корректируемой движением, такие как сжатое зондирование и глубокое обучение, улучшили качество изображения.

Технические достижения и инновации в последовательности импульсов

3D радиальный отбор проб и k-Space взвешивание

ZTE обычно использует 3D радиальную (конусную или спиральную) траекторию с изотропным разрешением. Поскольку центр k-пространства переизмеряется, техника по своей сути устойчива к движению и дает отличный контраст для видов короткого T2. Однако радиальные спицы должны быть отсортированы и отрегулированы для реконструкции, что увеличивает вычислительную сложность.

Гибридные подходы: ZTE с подавлением жира или контрастом

В то время как ZTE по своей сути является T1-взвешенным (из-за очень короткого TE), исследователи добавили подавление жира (например, с использованием инверсионного восстановления или спектрально-селективного возбуждения) для изоляции сигнала, связанного с водой, от костей или легких. Контрастный ZTE также возможен путем инъекции агентов на основе гадолиния, которые изменяют расслабление T1 соседних тканей.

Машинное обучение для реконструкции и обесценивания

SNR изображений ZTE может быть ниже, чем обычные изображения, особенно для паренхимы легких. Глубокое обучение на основе деноизации - обучено на парах изображений с низким SNR ZTE и высоким SNR CT или обычной МРТ - значительно улучшило качество изображения без ущерба для разрешения.

Преимущества ZTE MRI перед конкурентными режимами

• Никакого ионизирующего излучения: ZTE обеспечивает информацию о костях и легких, которая ранее требовала КТ, снижая кумулятивную дозу облучения, особенно критическую для педиатрических и беременных пациентов.
• Без затвердевающих лучей артефактов: В отличие от КТ, ZTE не страдает от прожилочных артефактов из металлических имплантатов или зубных пломб, что позволяет лучше визуализировать соседние структуры.
• По сути, 3D с изотропным разрешением: ZTE может получать данные в целом с субмиллиметровыми изотропными вокселями, что позволяет многоплановую реформацию без ухудшения качества.
• Потенциал для количественной визуализации: Сигнал в ZTE пропорционален плотности протонов воды короткого T2, обеспечивая прямую меру гидратации костей или легких, которая может служить биомаркером для болезни.
• Дополняющий стандартный MRI: ZTE может быть добавлен к клиническому протоколу МРТ всего за несколько минут (сканирование обычно 2-6 минут для приобретения всего тела), не требуя дополнительного оборудования, помимо того, что уже включает в себя многие современные сканеры.

Текущие ограничения и текущие исследования

Требования к аппаратуре

ZTE требует быстрых, мощных градиентов и кратковременных импульсов РЧ. В старых системах МР может отсутствовать необходимая скорость градиентного убоя. Кроме того, переключатель передачи-приема должен быть очень быстрым, что является более сложным при более высоких напряжённостях поля (3 Т и выше) из-за увеличения осаждения мощности РЧ.

Пространственное разрешение и компромиссы SNR

Поскольку ZTE пробует весь k-пространственный центр при каждом считывании, в сигнале преобладают компоненты длинного T2 (например, жир, вода). Для изоляции сигнала короткого T2 используются методы вычитания (например, получение второго приобретения с немного более длинным TE и вычитание). Они увеличивают время сканирования и могут вводить шум.

Интерпретация и обучение радиологов

Изображения ZTE отличаются от обычных МРТ: кости яркие, соседние мягкие ткани могут иметь необычный контраст. Радиологи должны ознакомиться с новыми контрастными узорами. Для облегчения принятия разрабатываются обучение на основе атласа и гибридные цветовые наложения.

Ограниченная клиническая доступность

По состоянию на 2025 год, ZTE-последовательности коммерчески доступны на основных поставщиках (Siemens, GE, Philips, Canon), но все еще считаются «продвинутыми» и могут потребовать специального лицензирования или пакетов программного обеспечения.

Будущие направления

Цельное тело ZTE для постановки рака и метастазов в кости

Поскольку ZTE может сфотографировать весь скелет за несколько минут, он исследуется для обнаружения метастазов в кости без КТ всего тела или ПЭТ / КТ. Ранние исследования показывают эквивалентную чувствительность к литическим и бластным поражениям.

Вентиляция легких и перфузионное изображение

С гиперполяризованными газами (например, 129Xe или 3He) ZTE может захватывать сигналы короткого T2 от ядер газовой фазы, что позволяет отображать вентиляцию. В сочетании с ZTE, усиленным кислородом для перфузии, это может обеспечить функциональную визуализацию легких без контрастных агентов.

Характеристика остеопороза и качества костей

Количественная ZTE (qZTE) измеряет T2* и плотность протонов костной воды. Снижение содержания костной воды коррелирует с остеопорозом, а первоначальные результаты показывают, что qZTE может дифференцировать здоровую остеопоротическую кость с высокой чувствительностью.

Интеграция с PET/MR

Одновременные ПЭТ/МР системы могут извлечь выгоду из ЗТЭ для коррекции ослабления, особенно для костей, улучшая количественную точность поглощения ПЭТ-трекера в онкологии.

Заключение

МРТ с нулевым эхо-временем является преобразующей техникой, которая расширяет охват магнитного резонанса в ранее недоступные ткани. Захватывая сигналы от коротко-T2 видов, таких как паренхима коры головного мозга и легких, ZTE преодолевает фундаментальное ограничение обычной МРТ. Его способность доставлять безрадиационную визуализацию скелета и легких с высоким разрешением делает его бесценным инструментом для широкого спектра клинических применений - от оценки переломов и скрининга легочных узлов до оценки остеопороза и визуализации имплантатов.

В то время как проблемы остаются - особенно в требованиях к оборудованию, сложности реконструкции и клинического принятия - продолжающиеся достижения в технологии градиента, дизайне последовательностей и искусственном интеллекте неуклонно движутся ZTE к рутинному использованию. По мере роста доказательной базы эта физико-управляемая инновация готова переопределить то, что возможно в неинвазивной диагностической визуализации.