شدت سیگنال MRI و آسایش بافتی

تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) کنتراست را نه از یک مقدار چگالی واحد، بلکه از نحوه بازگشت هسته‌های هیدروژن در بافت به حالت تعادل پس از یک پالس فرکانس رادیویی به دست می‌آورد. دو زمان مشخصه — T1 (آسایش طولی) و T2 (آسایش عرضی) — همراه با چگالی پروتون، تعیین می‌کنند که آیا یک بافت روشن یا تیره به نظر می‌رسد، و این مقادیر بین بافت‌ها به اندازه‌ای متفاوت هستند که کنتراست غنی بافت نرم را به MRI می‌دهند.

Definition

شدت سیگنال MRI، بزرگی سیگنال فرکانس رادیویی است که توسط هسته‌های هیدروژن بافت هنگام آسایش پس از تحریک ساطع می‌شود؛ این شدت توسط چگالی پروتون و زمان‌های آسایش طولی (T1) و عرضی (T2) خاص بافت کنترل می‌شود، با وزن‌دهی تصویر که توسط زمان‌بندی اکتساب تعیین می‌گردد.

Scope

این موضوع منشأ فیزیکی شدت سیگنال MRI را توضیح می‌دهد: چگالی پروتون، آسایش T1 و T2، و اینکه چگونه وزن‌دهی توالی انتخاب می‌کند کدام ویژگی بر تصویر غالب باشد. همچنین به این می‌پردازد که چگونه عوامل پارامغناطیسی مبتنی بر گادولینیوم زمان‌های آسایش را کوتاه می‌کنند تا سیگنال را افزایش دهند. این یک گزارش مرجع در مورد اینکه چرا بافت‌ها در سیگنال MR متفاوت هستند، و نه راهنمایی در مورد تجویز توالی یا تجویز کنتراست است.

Core questions

• چه فرآیند فیزیکی سیگنال MR را از بافت تولید می‌کند؟
• آسایش T1 و T2 چه تفاوتی دارند و هر کدام توسط چه چیزی کنترل می‌شوند؟
• چرا یک بافت در یک توالی روشن و در توالی دیگر تیره به نظر می‌رسد؟
• عوامل کنتراست مبتنی بر گادولینیوم چگونه سیگنال بافت را تغییر می‌دهند؟
• چرا مایع، چربی و بافت جامد الگوهای سیگنال مشخصی را نشان می‌دهند؟

Key concepts

• چگالی پروتون (اسپین)
• آسایش طولی T1
• آسایش عرضی T2
• وزن‌دهی توالی (وزن‌دهی شده با T1، T2 و چگالی پروتون)
• عوامل کنتراست مبتنی بر گادولینیوم
• رلاکسویته

Key theories

نظریه آسایش تشدید مغناطیسی هسته‌ای (نظریه BPP)

بلومبرگن، پرسل و پوند توضیح دادند که چگونه حرکت مولکولی محیط مغناطیسی هسته‌ها را تعدیل می‌کند و بدین ترتیب نرخ‌های آسایش طولی و عرضی را کنترل می‌کند و اساس فیزیکی تفاوت T1 و T2 بین بافت‌ها را فراهم می‌آورد.

Mechanisms

هسته‌های هیدروژن که در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می‌گیرند، هم‌راستا می‌شوند و می‌توانند توسط یک پالس فرکانس رادیویی منحرف شوند؛ با هم‌راستایی مجدد آنها، مغناطش طولی با ثابت زمانی T1 بازیابی می‌شود در حالی که مغناطش عرضی با ثابت زمانی T2 واپاشی می‌کند. نرخ‌ها به نحوه تعدیل میدان‌های مغناطیسی محلی توسط حرکت مولکولی بستگی دارند، همانطور که توسط بلومبرگن، پرسل و پوند توصیف شده است، بنابراین بافت‌هایی با اتصال آب و محتوای ماکرومولکولی متفاوت، زمان‌های آسایش متفاوتی دارند. با انتخاب زمان‌بندی تحریک و خوانش سیگنال، یک اکتساب می‌تواند به سمت T1، T2 یا چگالی پروتون وزن‌دهی شود. کلات‌های گادولینیوم پارامغناطیسی میدان‌های محلی نوسانی ایجاد می‌کنند که T1 (و T2) نزدیک را کوتاه می‌کنند و بافت تقویت‌کننده را در تصاویر T1-وزن‌دهی شده روشن‌تر می‌کنند؛ کارایی این اثر، رلاکسویته عامل است که توسط کاروان و همکاران بررسی شده است.

Clinical relevance

کنتراست مبتنی بر آسایش به MRI اجازه می‌دهد تا بافت‌هایی را که در سایر روش‌ها مشابه به نظر می‌رسند، از هم جدا کند، که برای تفسیر آناتومی بافت نرم حیاتی است. این مدخل اساس فیزیکی سیگنال MR را توصیف می‌کند و مبنایی برای انتخاب توالی‌ها، عوامل یا دوزها برای بیماران منفرد نیست.

Evidence & guidelines

فیزیک آسایش بر تحلیل پیشگامانه بلومبرگن-پرسل-پوند و بر نمایش تشکیل تصویر NMR توسط لاوتربر استوار است، با تفاوت‌های بافتی مرتبط با کنتراست که ابتدا توسط دامادیان برجسته شد. شیمی و رفتار عوامل گادولینیوم در کاروان و همکاران، و فیزیک تصویربرداری در متونی مانند بوشبرگ و همکاران تثبیت شده است.

History

رفتار آسایش که زیربنای کنتراست MR است، در سال 1948 توسط بلومبرگن، پرسل و پوند مشخص شد. گزارش دامادیان در سال 1971 مبنی بر تفاوت زمان‌های آسایش بین بافت‌ها، کاربرد تشخیصی را پیشنهاد کرد، و روش کدگذاری فضایی لاوتربر در سال 1973 NMR را به یک تکنیک تصویربرداری تبدیل کرد. کلات‌های گادولینیوم، که در سال 1999 به طور جامع بررسی شدند، بعدها راهی قابل کنترل برای دستکاری آسایش بافت و در نتیجه سیگنال فراهم کردند.

Key figures

• Paul Lauterbur
• Nicolaas Bloembergen
• Edward Purcell
• Raymond Damadian

Seminal works

• bloembergen-1948
• lauterbur-1973
• damadian-1971

Frequently asked questions

تفاوت بین آسایش T1 و T2 چیست؟

T1 نحوه بازیابی سریع مغناطش طولی در امتداد میدان اصلی را توصیف می‌کند، در حالی که T2 نحوه واپاشی سریع مغناطش عرضی را توصیف می‌کند؛ این دو از جنبه‌های مختلف نحوه اختلال حرکت مولکولی در هسته‌ها ناشی می‌شوند، بنابراین به طور مستقل بین بافت‌ها متفاوت هستند.

چرا مایع در تصویر T2-وزن‌دهی شده روشن اما در تصویر T1-وزن‌دهی شده تیره به نظر می‌رسد؟

مایع دارای زمان‌های آسایش T1 طولانی و T2 طولانی است، بنابراین در جایی که تفاوت‌های T1 بر تصویر غالب است، سیگنال کمی می‌دهد و در جایی که تفاوت‌های T2 غالب است، سیگنال بالایی می‌دهد.

کنتراست گادولینیوم چگونه بافت را روشن می‌کند؟

گادولینیوم پارامغناطیس است و میدان‌های مغناطیسی محلی نوسانی ایجاد می‌کند که T1 پروتون‌های آب نزدیک را کوتاه می‌کند و سیگنال را در تصاویر T1-وزن‌دهی شده در جایی که عامل تجمع می‌یابد، افزایش می‌دهد.