Последовательность импульсов МРТ в магнитно-резонансной томографии (МРТ) представляет собой определенную настройку последовательностей импульсов и градиентов импульсного поля , приводящую к определенному виду изображения. [1]
Многопараметрическая МРТ представляет собой комбинацию двух или более последовательностей и/или включение других специализированных конфигураций МРТ, таких как спектроскопия . [2] [3]
В эту таблицу не включены необычные и экспериментальные последовательности .
Каждая ткань возвращается в свое равновесное состояние после возбуждения независимыми релаксационными процессами T1 ( спин-решетка ; то есть намагничивание в том же направлении, что и статическое магнитное поле) и T2 ( спин-спин ; поперечно статическому магнитному полю).Для создания изображения, взвешенного по T1, намагниченности дают восстановиться перед измерением сигнала МР путем изменения времени повторения (TR). Это взвешивание изображения полезно для оценки коры головного мозга, идентификации жировой ткани, характеристики очаговых поражений печени и в целом для получения морфологической информации, а также для постконтрастной визуализации.Для создания изображения, взвешенного по T2, намагниченность затухает перед измерением сигнала МР путем изменения времени эха (TE). Это взвешивание изображения полезно для обнаружения отека и воспаления, выявления поражений белого вещества и оценки зональной анатомии в простате и матке .
Стандартное отображение изображений МРТ заключается в отображении характеристик жидкости на черно-белых снимках, где различные ткани выглядят следующим образом:
Изображения, взвешенные по плотности протонов (PD), создаются с помощью длительного времени повторения (TR) и короткого времени эха (TE). [36] На изображениях мозга эта последовательность имеет более выраженное различие между серым веществом (яркое) и белым веществом (темно-серое), но с небольшим контрастом между мозгом и цереброспинальной жидкостью. [36] Это очень полезно для обнаружения артропатии и травм. [37]
Последовательность градиентного эха не использует 180-градусный радиочастотный импульс для когерентности спинов частиц. Вместо этого она использует магнитные градиенты для манипулирования спинами, позволяя спинам дефазироваться и рефазироваться при необходимости. После импульса возбуждения спины дефазируются, сигнал не генерируется, поскольку спины не когерентны. Когда спины рефазируются, они становятся когерентными, и, таким образом, генерируется сигнал (или «эхо») для формирования изображений. В отличие от спинового эха, градиентному эху не нужно ждать полного распада поперечной намагниченности перед инициированием другой последовательности, поэтому ему требуется очень короткое время повторения (TR), и, следовательно, для получения изображений за короткое время. После формирования эха остаются некоторые поперечные намагниченности. Манипулирование градиентами в течение этого времени будет создавать изображения с различным контрастом. На этом этапе существует три основных метода манипулирования контрастом, а именно: стационарная свободная прецессия (SSFP), которая не портит оставшуюся поперечную намагниченность, а пытается восстановить ее (таким образом, создавая изображения, взвешенные по T2); последовательность с градиентом спойлера, который усредняет поперечные намагничивания (таким образом, создавая смешанные изображения, взвешенные по T1 и T2), и РЧ-спойлер, который изменяет фазы РЧ-импульса, чтобы устранить поперечные намагничивания, таким образом, создавая чистые изображения, взвешенные по T1. [39]
Для сравнения, время повторения последовательности градиентного эха составляет порядка 3 миллисекунд, по сравнению с примерно 30 мс последовательности спинового эха. [ необходима цитата ]
Инверсионное восстановление — это последовательность МРТ, которая обеспечивает высокий контраст между тканью и поражением. Она может использоваться для получения высоковзвешенного изображения T1, высоковзвешенного изображения T2 и 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 воды) молекулы воды естественным образом движутся случайным образом в соответствии с турбулентностью и броуновским движением . Однако в биологических тканях, где число Рейнольдса достаточно низкое для ламинарного потока , диффузия может быть анизотропной . Например, молекула внутри аксона нейрона имеет низкую вероятность пересечения миелиновой мембраны. Поэтому молекула движется в основном вдоль оси нервного волокна. Если известно, что молекулы в определенном вокселе диффундируют в основном в одном направлении, можно предположить, что большинство волокон в этой области параллельны этому направлению.
Недавнее развитие диффузионно-тензорной визуализации (DTI) [43] позволяет измерять диффузию в нескольких направлениях и рассчитывать фракционную анизотропию в каждом направлении для каждого воксела. Это позволяет исследователям создавать карты направлений волокон мозга для изучения связности различных областей мозга (с помощью трактографии ) или для изучения областей нейронной дегенерации и демиелинизации при таких заболеваниях, как рассеянный склероз.
Другим применением диффузионной МРТ является диффузионно-взвешенная визуализация (DWI). После ишемического инсульта DWI очень чувствительна к изменениям, происходящим в очаге поражения. [44] Предполагается, что увеличение ограничений (барьеров) для диффузии воды в результате цитотоксического отека (клеточного отека) отвечает за увеличение сигнала на сканировании DWI. Усиление DWI появляется в течение 5–10 минут после появления симптомов инсульта (по сравнению с компьютерной томографией , которая часто не обнаруживает изменений острого инфаркта в течение 4–6 часов) и сохраняется в течение двух недель. В сочетании с визуализацией церебральной перфузии исследователи могут выделить области «несоответствия перфузии/диффузии», которые могут указывать на области, поддающиеся спасению с помощью реперфузионной терапии.
Как и многие другие специализированные приложения, этот метод обычно сочетается с быстрой последовательностью получения изображений, например, последовательностью эхо-планарной визуализации .
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 (кровоток), MTT (среднее время транзита) и TTP (время достижения пика).
При инфаркте мозга в полутени снижена перфузия. [24] Другая последовательность МРТ, диффузионно-взвешенная МРТ , оценивает количество ткани, которая уже некротизирована, и поэтому комбинацию этих последовательностей можно использовать для оценки количества мозговой ткани, которую можно спасти с помощью тромболизиса и/или тромбэктомии .
Функциональная МРТ (фМРТ) измеряет изменения сигнала в мозге , которые вызваны изменением нейронной активности. Она используется для понимания того, как различные части мозга реагируют на внешние стимулы или пассивную активность в состоянии покоя, и имеет применение в поведенческих и когнитивных исследованиях , а также в 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 задачу. По сравнению с анатомической визуализацией T1W, мозг сканируется с более низким пространственным разрешением, но с более высоким временным разрешением (обычно каждые 2–3 секунды). Увеличение нейронной активности вызывает изменения в сигнале МР через T*
2изменения; [50] этот механизм называется эффектом BOLD ( зависящий от уровня кислорода в крови ). Повышенная нейронная активность вызывает повышенную потребность в кислороде, и сосудистая система фактически компенсирует это, увеличивая количество оксигенированного гемоглобина по сравнению с дезоксигенированным гемоглобином. Поскольку дезоксигенированный гемоглобин ослабляет сигнал МР, сосудистая реакция приводит к увеличению сигнала, связанного с нейронной активностью. Точная природа связи между нейронной активностью и сигналом BOLD является предметом текущих исследований. Эффект BOLD также позволяет создавать трехмерные карты венозной сосудистой сети высокого разрешения в нервной ткани.
Хотя анализ сигнала BOLD является наиболее распространенным методом, используемым для нейробиологических исследований на людях, гибкая природа МР-томографии обеспечивает средства для сенсибилизации сигнала к другим аспектам кровоснабжения. Альтернативные методы используют артериальную спиновую маркировку (ASL) или взвешивание сигнала МРТ по мозговому кровотоку (CBF) и объему мозговой крови (CBV). Метод CBV требует инъекции класса контрастных агентов МРТ , которые в настоящее время проходят клинические испытания на людях. Поскольку этот метод показал себя намного более чувствительным, чем метод BOLD в доклинических исследованиях, он может потенциально расширить роль фМРТ в клинических приложениях. Метод CBF дает больше количественной информации, чем сигнал BOLD, хотя и со значительной потерей чувствительности обнаружения. [ необходима цитата ]
Магнитно-резонансная ангиография ( МРА ) — это группа методов, основанных на визуализации кровеносных сосудов. Магнитно-резонансная ангиография используется для получения изображений артерий (реже вен) с целью оценки их на предмет стеноза (аномального сужения), окклюзии , аневризмы (расширения стенок сосудов, подверженных риску разрыва) или других аномалий. МРА часто используется для оценки артерий шеи и мозга, грудной и брюшной аорты, почечных артерий и ног (последнее исследование часто называют «оттоком»).
Фазовый контраст МРТ (ПК-МРТ) используется для измерения скорости потока в организме. Он используется в основном для измерения потока крови в сердце и во всем организме. ПК-МРТ можно считать методом магнитно-резонансной велосиметрии . Поскольку современный ПК-МРТ обычно имеет временное разрешение, его также можно назвать 4-мерной визуализацией (три пространственных измерения плюс время). [51]
Визуализация с весовой восприимчивостью (SWI) — это новый тип контраста в МРТ, отличный от спиновой плотности, T 1 или T 2 визуализации. Этот метод использует различия в восприимчивости между тканями и использует полностью компенсированное по скорости, трехмерное, высокоразрешающее, 3D-градиентное эхо-сканирование с радиочастотной иглой. Этот специальный сбор данных и обработка изображений создают изображение с улучшенной контрастной величиной, очень чувствительное к венозной крови, кровотечению и накоплению железа. Он используется для улучшения обнаружения и диагностики опухолей, сосудистых и нейроваскулярных заболеваний (инсульт и кровоизлияние), рассеянного склероза, [52] болезни Альцгеймера, а также обнаруживает травматические повреждения головного мозга, которые не могут быть диагностированы с помощью других методов. [53]
Перенос намагниченности (МП) — это метод повышения контрастности изображения в некоторых приложениях МРТ.
Связанные протоны связаны с белками , и поскольку они имеют очень короткий распад T2, они обычно не вносят вклад в контраст изображения. Однако, поскольку эти протоны имеют широкий резонансный пик, они могут быть возбуждены радиочастотным импульсом, который не оказывает влияния на свободные протоны. Их возбуждение увеличивает контраст изображения путем переноса насыщенных спинов из связанного пула в свободный пул, тем самым уменьшая сигнал свободной воды. Этот гомоядерный перенос намагниченности обеспечивает косвенное измерение содержания макромолекул в ткани. Реализация гомоядерного переноса намагниченности включает выбор подходящих смещений частоты и форм импульсов для достаточно сильного насыщения связанных спинов в пределах безопасности удельной скорости поглощения для МРТ. [54]
Наиболее распространенное применение этой техники — подавление фонового сигнала в МР-ангиографии с измерением времени пролета. [55] Также существуют приложения в нейровизуализации, в частности, для характеристики поражений белого вещества при рассеянном склерозе . [56]
Подавление жира полезно, например, для различения активного воспаления 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 спин-эхо последовательностях. [58]
Методы подавления жира на МРТ в основном включают: [59]
Этот метод использует парамагнитные свойства нейромеланина и может быть использован для визуализации черной субстанции и голубого пятна . Он используется для обнаружения атрофии этих ядер при болезни Паркинсона и других паркинсонизмах , а также для обнаружения изменений интенсивности сигнала при большом депрессивном расстройстве и шизофрении . [60]
Следующие последовательности обычно не используются в клинической практике и/или находятся на экспериментальной стадии.
T1 rho (T1ρ) — экспериментальная последовательность МРТ, которая может использоваться в визуализации опорно-двигательного аппарата. Она пока не получила широкого распространения. [61]
Молекулы имеют кинетическую энергию , которая является функцией температуры и выражается в виде поступательных и вращательных движений, а также столкновений между молекулами. Движущиеся диполи возмущают магнитное поле, но часто чрезвычайно быстры, так что средний эффект в течение длительного времени может быть равен нулю. Однако, в зависимости от времени, взаимодействия между диполями не всегда усредняются. В самом медленном пределе время взаимодействия фактически бесконечно и происходит там, где есть большие стационарные возмущения поля (например, металлический имплантат). В этом случае потеря когерентности описывается как «статическая дефазировка». T2* является мерой потери когерентности в ансамбле спинов, который включает все взаимодействия (включая статическую дефазировку). T2 является мерой потери когерентности, которая исключает статическую дефазировку, используя РЧ-импульс для обращения самых медленных типов дипольного взаимодействия. На самом деле существует континуум временных шкал взаимодействия в данном биологическом образце, и свойства перефокусирующего РЧ-импульса можно настроить на перефокусировку большего, чем просто статическую дефазировку. В общем, скорость распада ансамбля спинов является функцией времени взаимодействия, а также мощности РЧ-импульса. Этот тип распада, происходящий под воздействием РЧ, известен как T1ρ. Он похож на распад T2, но с некоторыми более медленными дипольными взаимодействиями, перефокусированными, а также статическими взаимодействиями, следовательно, T1ρ≥T2. [62]