Интенсивность МР-сигнала и релаксация тканей

Контрастность при магнитно-резонансной томографии обусловлена не только значением плотности, но и тем, как ядра водорода в тканях возвращаются в равновесное состояние после радиочастотного импульса. Два характерных времени — T1 (продольная релаксация) и T2 (поперечная релаксация) — вместе с протонной плотностью определяют, будет ли ткань выглядеть яркой или темной, и они достаточно различаются между тканями, чтобы обеспечить МРТ богатую контрастность мягких тканей.

Definition

Интенсивность МР-сигнала — это величина радиочастотного сигнала, излучаемого ядрами водорода тканей по мере их релаксации после возбуждения; она определяется протонной плотностью и тканеспецифическими временами продольной (T1) и поперечной (T2) релаксации, при этом взвешивание изображения определяется временем сбора данных.

Scope

Эта тема объясняет физическое происхождение интенсивности МР-сигнала: протонную плотность, T1 и T2 релаксацию, а также то, как взвешивание последовательности выбирает, какое свойство доминирует в изображении. Она также охватывает, как парамагнитные агенты на основе гадолиния сокращают времена релаксации для усиления сигнала. Это справочное описание того, почему ткани различаются по МР-сигналу, а не руководство по назначению последовательностей или введению контраста.

Core questions

• Какой физический процесс генерирует МР-сигнал от ткани?
• Чем отличаются релаксации T1 и T2, и что контролирует каждую из них?
• Почему одна и та же ткань выглядит яркой на одной последовательности и темной на другой?
• Как контрастные агенты на основе гадолиния изменяют сигнал от ткани?
• Почему жидкость, жир и плотная ткань показывают характерные паттерны сигнала?

Key concepts

• Протонная (спиновая) плотность
• T1 продольная релаксация
• T2 поперечная релаксация
• Взвешивание последовательности (T1-, T2- и протонно-плотностное взвешивание)
• Контрастные агенты на основе гадолиния
• Релаксивность

Key theories

Теория релаксации ядерного магнитного резонанса (теория БПП)

Бломберген, Пёрселл и Паунд описали, как молекулярное движение модулирует магнитное окружение ядер и тем самым регулирует скорости продольной и поперечной релаксации, обеспечивая физическую основу для того, почему T1 и T2 различаются между тканями.

Mechanisms

Помещенные в сильное магнитное поле, ядра водорода выстраиваются и могут быть отклонены радиочастотным импульсом; по мере их перестройки продольная намагниченность восстанавливается с постоянной времени T1, в то время как поперечная намагниченность затухает с постоянной времени T2. Скорости зависят от того, как молекулярное движение модулирует локальные магнитные поля, как описано Бломбергеном, Пёрселлом и Паундом, поэтому ткани с различной связью воды и макромолекулярным составом имеют разные времена релаксации. Выбирая время возбуждения и считывания сигнала, можно взвесить сбор данных по T1, T2 или протонной плотности. Парамагнитные хелаты гадолиния создают флуктуирующие локальные поля, которые сокращают близлежащие T1 (и T2), осветляя усиливающуюся ткань на T1-взвешенных изображениях; эффективность этого эффекта является релаксивностью агента, рассмотренной Караваном и коллегами.

Clinical relevance

Контрастность, основанная на релаксации, позволяет МРТ разделять ткани, которые выглядят схожими на других модальностях, что является центральным для интерпретации анатомии мягких тканей. Эта статья описывает физическую основу МР-сигнала и не является основой для выбора последовательностей, агентов или доз для отдельных пациентов.

Evidence & guidelines

Физика релаксации основана на основополагающем анализе Бломбергена-Пёрселла-Паунда и на демонстрации Лаутербуром формирования ЯМР-изображения, при этом контрастно-значимые различия тканей впервые были выделены Дамадьяном. Химия и поведение гадолиниевых агентов обобщены в работе Каравана и коллег, а физика изображений — в таких текстах, как Бушберг и коллеги.

History

Релаксационное поведение, лежащее в основе МР-контраста, было охарактеризовано в 1948 году Бломбергеном, Пёрселлом и Паундом. Отчет Дамадьяна 1971 года о том, что времена релаксации различаются между тканями, предложил диагностическое применение, а метод пространственного кодирования Лаутербура 1973 года превратил ЯМР в метод визуализации. Хелаты гадолиния, всесторонне рассмотренные в 1999 году, позднее предоставили контролируемый способ манипулирования релаксацией тканей и, следовательно, сигналом.

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

В чем разница между релаксацией T1 и T2?

T1 описывает, как быстро восстанавливается продольная намагниченность вдоль основного поля, в то время как T2 описывает, как быстро затухает поперечная намагниченность; обе возникают из разных аспектов того, как молекулярное движение возмущает ядра, поэтому они независимо варьируются между тканями.

Почему жидкость выглядит яркой на T2-взвешенном изображении, но темной на T1-взвешенном изображении?

Жидкость имеет длительные времена релаксации T1 и T2, поэтому она дает низкий сигнал там, где различия T1 доминируют в изображении, и высокий сигнал там, где доминируют различия T2.

Как гадолиниевый контраст осветляет ткань?

Гадолиний является парамагнитным и создает флуктуирующие локальные магнитные поля, которые сокращают T1 близлежащих протонов воды, увеличивая сигнал на T1-взвешенных изображениях там, где накапливается агент.