Последовательность импульсов МРТ в магнитно-резонансной томографии (МРТ) — это определенная настройка последовательностей импульсов и градиентов импульсного поля , приводящая к определенному внешнему виду изображения. [1]
Многопараметрическая МРТ представляет собой комбинацию двух или более последовательностей и/или включает другие специализированные конфигурации МРТ, такие как спектроскопия . [2] [3]
Эта таблица не включает необычные и экспериментальные последовательности .
Каждая ткань возвращается в свое равновесное состояние после возбуждения независимыми процессами релаксации Т1 ( спин-решетка ; то есть намагниченность в том же направлении, что и статическое магнитное поле) и Т2 ( спин-спин ; поперечно статическому магнитному полю).Чтобы создать Т1-взвешенное изображение, намагниченность восстанавливается перед измерением МР-сигнала путем изменения времени повторения (TR). Такое взвешивание изображений полезно для оценки коры головного мозга, выявления жировой ткани, характеристики очаговых поражений печени и в целом для получения морфологической информации, а также для постконтрастной визуализации.Чтобы создать Т2-взвешенное изображение, перед измерением МР-сигнала намагниченность снижается, изменяя время эхо-сигнала (TE). Это взвешивание изображений полезно для обнаружения отеков и воспалений, выявления поражений белого вещества и оценки зональной анатомии простаты и матки .
Стандартное отображение изображений МРТ заключается в представлении характеристик жидкости в черно-белых изображениях, на которых различные ткани выглядят следующим образом:
Изображения, взвешенные по протонной плотности (PD), создаются за счет длительного времени повторения (TR) и короткого времени эха (TE). [36] На изображениях мозга эта последовательность имеет более выраженное различие между серым веществом (светлым) и белым веществом (темно-серым), но с небольшим контрастом между мозгом и спинномозговой жидкостью. [36] Это очень полезно для выявления артропатий и травм. [37]
Последовательность градиентного эха не использует радиочастотный импульс на 180 градусов, чтобы сделать спины частиц когерентными. Вместо этого он использует магнитные градиенты для управления спинами, позволяя им дефазироваться и рефазироваться, когда это необходимо. После импульса возбуждения спины дефазируются, сигнал не вырабатывается, поскольку спины не когерентны. Когда спины перефазируются, они становятся когерентными, и, таким образом, генерируется сигнал (или «эхо») для формирования изображений. В отличие от спинового эха, градиентному эху не нужно ждать полного затухания поперечной намагниченности, прежде чем инициировать следующую последовательность, поэтому оно требует очень короткого времени повторения (TR) и, следовательно, для получения изображений за короткое время. После формирования эха сохраняется некоторая поперечная намагниченность. Манипулирование градиентами в это время приведет к созданию изображений с разной контрастностью. На этом этапе существует три основных метода управления контрастом, а именно стационарная свободная прецессия (SSFP), которая не портит оставшуюся поперечную намагниченность, но пытается ее восстановить (таким образом создавая Т2-взвешенные изображения); последовательность с градиентом спойлера, который усредняет поперечную намагниченность (таким образом создавая смешанные изображения, взвешенные по Т1 и Т2), и радиочастотным спойлером, который изменяет фазы радиочастотного импульса, чтобы устранить поперечную намагниченность, создавая тем самым чистые изображения, взвешенные по Т1. [39]
Для целей сравнения время повторения последовательности градиентного эха составляет порядка 3 миллисекунд по сравнению с примерно 30 мс последовательности спинового эха. [ нужна цитата ]
Инверсионное восстановление — это последовательность МРТ, которая обеспечивает высокий контраст между тканью и поражением. Его можно использовать для получения изображения с высоким Т1-взвешенным изображением, изображения с высоким Т2-взвешенным изображением, а также для подавления сигналов от жира, крови или спинномозговой жидкости (СМЖ). [40]
Диффузионная МРТ измеряет диффузию молекул воды в биологических тканях. [41] Клинически диффузионная МРТ полезна для диагностики состояний (например, инсульта ) или неврологических расстройств (например, рассеянного склероза ) и помогает лучше понять связь аксонов белого вещества в центральной нервной системе. [42] В изотропной среде (например, внутри стакана с водой) молекулы воды естественным образом движутся хаотично в соответствии с турбулентностью и броуновским движением . Однако в биологических тканях, где число Рейнольдса достаточно низко для ламинарного потока , диффузия может быть анизотропной . Например, молекула внутри аксона нейрона имеет низкую вероятность пересечения миелиновой мембраны. Следовательно, молекула движется преимущественно вдоль оси нервного волокна. Если известно, что молекулы в конкретном вокселе диффундируют преимущественно в одном направлении, можно предположить, что большинство волокон в этой области параллельны этому направлению.
Недавняя разработка тензорной визуализации диффузии (DTI) [43] позволяет измерять диффузию в нескольких направлениях и рассчитывать фракционную анизотропию в каждом направлении для каждого вокселя. Это позволяет исследователям составлять карты направлений волокон мозга, чтобы исследовать связи различных областей мозга (с помощью трактографии ) или исследовать области нервной дегенерации и демиелинизации при таких заболеваниях, как рассеянный склероз.
Еще одним применением диффузной МРТ является диффузионно-взвешенная визуализация (ДВИ). После ишемического инсульта ДВИ очень чувствителен к изменениям, происходящим в очаге поражения. [44] Предполагается, что увеличение ограничения (барьеров) для диффузии воды в результате цитотоксического отека (клеточного набухания) ответственно за увеличение сигнала при ДВИ-сканировании. Усиление ДВИ появляется через 5–10 минут после появления симптомов инсульта (по сравнению с компьютерной томографией , которая зачастую не выявляет изменений острого инфаркта в течение 4–6 часов) и сохраняется до двух недель. В сочетании с визуализацией церебральной перфузии исследователи могут выделить области «несоответствия перфузии/диффузии», которые могут указывать на области, которые можно спасти с помощью реперфузионной терапии.
Как и многие другие специализированные приложения, этот метод обычно сочетается с последовательностью быстрого получения изображений, такой как последовательность эхопланарных изображений .
Перфузионно-взвешенная визуализация (PWI) выполняется тремя основными методами:
Полученные данные затем подвергаются постобработке для получения карт перфузии с различными параметрами, такими как BV (объем крови), BF (поток крови), MTT (среднее время прохождения) и TTP (время достижения пика).
При инфаркте головного мозга в полутени снижается перфузия. [24] Другая последовательность МРТ, диффузионно-взвешенная МРТ , оценивает количество ткани, которая уже некротизирована, и поэтому комбинация этих последовательностей может быть использована для оценки количества ткани головного мозга, которую можно спасти с помощью тромболизиса и/или тромбэктомии .
Функциональная МРТ (фМРТ) измеряет изменения сигналов в мозге , вызванные изменением нейронной активности. Он используется для понимания того, как различные части мозга реагируют на внешние раздражители или пассивную активность в состоянии покоя, а также находит применение в поведенческих и когнитивных исследованиях , а также при планировании нейрохирургии красноречивых областей мозга . [48] [49] Исследователи используют статистические методы для построения трехмерной параметрической карты мозга, указывающей области коры, которые демонстрируют значительное изменение активности в ответ на задание. По сравнению с анатомической визуализацией T1W, мозг сканируется с более низким пространственным разрешением, но с более высоким временным разрешением (обычно раз в 2–3 секунды). Увеличение нейронной активности вызывает изменения МР-сигнала через T*
2изменения; [50] этот механизм называется эффектом BOLD ( зависимый от уровня кислорода в крови ). Повышенная нервная активность вызывает повышенную потребность в кислороде, а сосудистая система фактически сверхкомпенсирует это, увеличивая количество оксигенированного гемоглобина по сравнению с дезоксигенированным гемоглобином. Поскольку дезоксигенированный гемоглобин ослабляет МР-сигнал, сосудистая реакция приводит к усилению сигнала, что связано с нервной активностью. Точная природа взаимосвязи между нейронной активностью и BOLD-сигналом является предметом текущих исследований. Эффект BOLD также позволяет создавать трехмерные карты венозной сосудистой сети высокого разрешения в нервной ткани.
Хотя анализ сигналов BOLD является наиболее распространенным методом, используемым для нейробиологических исследований на людях, гибкий характер МР-визуализации обеспечивает средства для повышения чувствительности сигнала к другим аспектам кровоснабжения. Альтернативные методы используют маркировку спина артерий (ASL) или взвешивание сигнала МРТ по церебральному кровотоку (CBF) и объему церебральной крови (CBV). Метод CBV требует инъекции класса контрастных веществ для МРТ, которые сейчас проходят клинические испытания на людях. Поскольку в доклинических исследованиях было показано, что этот метод гораздо более чувствителен, чем метод BOLD, он потенциально может расширить роль фМРТ в клинических приложениях. Метод CBF предоставляет больше количественной информации, чем сигнал BOLD, хотя и со значительной потерей чувствительности обнаружения. [ нужна цитата ]
Магнитно-резонансная ангиография ( МРА ) — это группа методов, основанных на визуализации кровеносных сосудов. Магнитно-резонансная ангиография используется для получения изображений артерий (и реже вен) с целью оценки их стеноза (аномального сужения), окклюзий , аневризм (расширение стенок сосудов, риск разрыва) или других аномалий. МРА часто используется для оценки артерий шеи и головного мозга, грудной и брюшной аорты, почечных артерий и ног (последнее исследование часто называют «сливом»).
Фазово-контрастная МРТ (ПК-МРТ) используется для измерения скорости кровотока в организме. Он используется в основном для измерения кровотока в сердце и во всем организме. ПК-МРТ можно рассматривать как метод магнитно-резонансной велосиметрии . Поскольку современная ПК-МРТ обычно имеет временное разрешение, ее также можно назвать 4-D визуализацией (три пространственных измерения плюс время). [51]
Визуализация, взвешенная по чувствительности (SWI), представляет собой новый тип контраста в МРТ, отличающийся от визуализации спиновой плотности, T 1 или T 2 . Этот метод использует различия в чувствительности между тканями и использует полностью компенсированное по скорости трехмерное, радиочастотное эхосканирование с высоким разрешением и 3D-градиентным эхосканированием. Этот специальный сбор данных и обработка изображений создают изображение с повышенной контрастностью, очень чувствительное к венозной крови, кровотечениям и накоплению железа. Его применяют для улучшения выявления и диагностики опухолей, сосудистых и нервно-сосудистых заболеваний (инсульт и кровоизлияние), рассеянного склероза, [52] болезни Альцгеймера, а также для выявления черепно-мозговых травм, которые невозможно диагностировать другими методами. [53]
Перенос намагничивания (МП) — это метод повышения контрастности изображения в некоторых применениях МРТ.
Связанные протоны связаны с белками , и, поскольку они имеют очень короткий Т2-распад, они обычно не способствуют контрасту изображения. Однако, поскольку эти протоны имеют широкий резонансный пик, их можно возбудить радиочастотным импульсом, который не оказывает никакого влияния на свободные протоны. Их возбуждение увеличивает контрастность изображения за счет переноса насыщенных спинов из связанного пула в свободный, тем самым уменьшая сигнал свободной воды. Этот гомоядерный перенос намагниченности обеспечивает косвенное измерение содержания макромолекул в ткани. Реализация гомоядерной передачи намагниченности включает выбор подходящих сдвигов частоты и формы импульсов, чтобы достаточно сильно насытить связанные спины в пределах безопасности удельной скорости поглощения для МРТ. [54]
Чаще всего этот метод используется для подавления фонового сигнала во времяпролетной МР-ангиографии. [55] Существуют также применения в нейровизуализации, особенно для характеристики поражений белого вещества при рассеянном склерозе . [56]
Подавление жира полезно, например, для того, чтобы отличить активное воспаление в кишечнике от отложения жира, которое может быть вызвано длительным (но, возможно, неактивным) воспалительным заболеванием кишечника , а также ожирением , химиотерапией и целиакией . [57] Без методов подавления жира жир и жидкость будут иметь одинаковую интенсивность сигнала на быстрых последовательностях спин-эхо. [58]
Методы подавления жира на МРТ в основном включают: [59]
Этот метод использует парамагнитные свойства нейромеланина и может использоваться для визуализации черной субстанции и голубого пятна . Он используется для обнаружения атрофии этих ядер при болезни Паркинсона и других паркинсонизмах , а также обнаруживает изменения интенсивности сигнала при большом депрессивном расстройстве и шизофрении . [60]
Следующие последовательности обычно не используются клинически и/или находятся на экспериментальной стадии.
T1 rho (T1ρ) — это экспериментальная последовательность МРТ, которую можно использовать для визуализации скелетно-мышечной системы. Он еще не получил широкого распространения. [61]
Молекулы обладают кинетической энергией , которая зависит от температуры и выражается в поступательных и вращательных движениях, а также в столкновениях между молекулами. Движущиеся диполи нарушают магнитное поле, но часто происходят очень быстро, так что средний эффект за длительный период времени может быть нулевым. Однако, в зависимости от масштаба времени, взаимодействия между диполями не всегда усредняются. В самом медленном пределе время взаимодействия фактически бесконечно и возникает там, где имеются большие стационарные возмущения поля (например, металлический имплантат). В этом случае потеря когерентности описывается как «статическая дефазировка». T2* — мера потери когерентности в ансамбле спинов, включающем все взаимодействия (включая статическую дефазировку). T2 — это мера потери когерентности, которая исключает статическую дефазировку и использует РЧ-импульс для обращения вспять самых медленных типов диполярного взаимодействия. На самом деле в данном биологическом образце существует континуум временных масштабов взаимодействия, и свойства перефокусирующего радиочастотного импульса можно настроить так, чтобы перефокусировать не только статическую дефазировку. В общем, скорость распада ансамбля спинов является функцией времени взаимодействия, а также мощности радиочастотного импульса. Этот тип распада, происходящий под воздействием RF, известен как T1ρ. Он похож на распад T2, но с перефокусировкой некоторых более медленных диполярных взаимодействий, а также статических взаимодействий, следовательно, T1ρ≥T2. [62]