ความเข้มสัญญาณ MRI และการคลายตัวของเนื้อเยื่อ

การสร้างความแตกต่างของภาพด้วยการถ่ายภาพด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า (MRI) ไม่ได้มาจากค่าความหนาแน่นเพียงอย่างเดียว แต่มาจากวิธีการที่นิวเคลียสของไฮโดรเจนในเนื้อเยื่อกลับสู่สมดุลหลังจากได้รับคลื่นวิทยุ เวลาจำเพาะสองค่า — T1 (การคลายตัวตามยาว) และ T2 (การคลายตัวตามขวาง) — ร่วมกับความหนาแน่นของโปรตอน เป็นตัวกำหนดว่าเนื้อเยื่อจะปรากฏสว่างหรือมืด และค่าเหล่านี้มีความแตกต่างกันมากพอระหว่างเนื้อเยื่อ ทำให้ MRI มีความสามารถในการสร้างความแตกต่างของเนื้อเยื่ออ่อนได้อย่างดีเยี่ยม

Definition

ความเข้มสัญญาณ MRI คือขนาดของสัญญาณคลื่นวิทยุที่ปล่อยออกมาจากนิวเคลียสไฮโดรเจนของเนื้อเยื่อขณะที่พวกมันคลายตัวหลังจากการกระตุ้น; มันถูกควบคุมโดยความหนาแน่นของโปรตอนและโดยเวลาการคลายตัวตามยาว (T1) และตามขวาง (T2) ที่จำเพาะต่อเนื้อเยื่อ โดยการถ่วงน้ำหนักของภาพถูกกำหนดโดยเวลาการเก็บข้อมูล

Scope

หัวข้อนี้อธิบายถึงที่มาทางกายภาพของความเข้มสัญญาณ MRI: ความหนาแน่นของโปรตอน, การคลายตัว T1 และ T2, และวิธีการที่การถ่วงน้ำหนักลำดับการถ่ายภาพเลือกคุณสมบัติใดที่จะเด่นในภาพ นอกจากนี้ยังครอบคลุมถึงวิธีการที่สารเพิ่มความคมชัดที่มีแกโดลิเนียมแบบพาราแมกเนติกช่วยลดเวลาการคลายตัวเพื่อเพิ่มสัญญาณ นี่คือข้อมูลอ้างอิงว่าทำไมเนื้อเยื่อจึงมีความแตกต่างกันในสัญญาณ MR ไม่ใช่คำแนะนำในการกำหนดลำดับการถ่ายภาพหรือการให้สารเพิ่มความคมชัด

Core questions

• กระบวนการทางกายภาพใดที่สร้างสัญญาณ MR จากเนื้อเยื่อ?
• การคลายตัว T1 และ T2 แตกต่างกันอย่างไร และอะไรเป็นตัวควบคุมแต่ละอย่าง?
• ทำไมเนื้อเยื่อเดียวกันจึงดูสว่างในลำดับการถ่ายภาพหนึ่งและมืดในอีกลำดับหนึ่ง?
• สารเพิ่มความคมชัดที่มีแกโดลิเนียมเปลี่ยนสัญญาณเนื้อเยื่อได้อย่างไร?
• ทำไมของเหลว ไขมัน และเนื้อเยื่อแข็งจึงแสดงรูปแบบสัญญาณที่จำเพาะ?

Key concepts

• ความหนาแน่นของโปรตอน (สปิน)
• การคลายตัวตามยาว T1
• การคลายตัวตามขวาง T2
• การถ่วงน้ำหนักลำดับการถ่ายภาพ (ถ่วงน้ำหนัก T1, T2 และความหนาแน่นของโปรตอน)
• สารเพิ่มความคมชัดที่มีแกโดลิเนียม
• รีแลกซิวิที

Key theories

ทฤษฎีการคลายตัวของนิวเคลียร์แมกเนติกเรโซแนนซ์ (ทฤษฎี BPP)

Bloembergen, Purcell, และ Pound ได้อธิบายว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลปรับเปลี่ยนสภาพแวดล้อมทางแม่เหล็กของนิวเคลียสอย่างไร และด้วยเหตุนี้จึงควบคุมอัตราการคลายตัวตามยาวและตามขวาง ซึ่งเป็นพื้นฐานทางกายภาพว่าทำไม T1 และ T2 จึงแตกต่างกันระหว่างเนื้อเยื่อ

Mechanisms

เมื่ออยู่ในสนามแม่เหล็กแรงสูง นิวเคลียสของไฮโดรเจนจะเรียงตัวและสามารถถูกพลิกได้ด้วยคลื่นวิทยุ; เมื่อพวกมันเรียงตัวใหม่ การเป็นแม่เหล็กตามยาวจะฟื้นตัวด้วยค่าคงที่เวลา T1 ในขณะที่การเป็นแม่เหล็กตามขวางจะสลายตัวด้วยค่าคงที่เวลา T2 อัตราเหล่านี้ขึ้นอยู่กับว่าการเคลื่อนที่ของโมเลกุลปรับเปลี่ยนสนามแม่เหล็กเฉพาะที่อย่างไร ตามที่ Bloembergen, Purcell, และ Pound อธิบายไว้ ดังนั้นเนื้อเยื่อที่มีการจับตัวของน้ำและปริมาณโมเลกุลขนาดใหญ่ที่แตกต่างกันจึงมีเวลาการคลายตัวที่แตกต่างกัน โดยการเลือกเวลาของการกระตุ้นและการอ่านสัญญาณ การเก็บข้อมูลสามารถถ่วงน้ำหนักไปทาง T1, T2 หรือความหนาแน่นของโปรตอน สารคีเลตแกโดลิเนียมแบบพาราแมกเนติกสร้างสนามแม่เหล็กเฉพาะที่ที่ผันผวนซึ่งช่วยลด T1 (และ T2) ของบริเวณใกล้เคียง ทำให้เนื้อเยื่อที่ได้รับการเสริมความคมชัดสว่างขึ้นในภาพที่ถ่วงน้ำหนัก T1; ประสิทธิภาพของผลกระทบนี้คือค่ารีแลกซิวิทีของสาร ซึ่งได้รับการทบทวนโดย Caravan และคณะ

Clinical relevance

ความแตกต่างของภาพที่อาศัยการคลายตัวช่วยให้ MRI สามารถแยกเนื้อเยื่อที่ดูคล้ายกันในวิธีการอื่น ๆ ซึ่งเป็นหัวใจสำคัญในการตีความกายวิภาคของเนื้อเยื่ออ่อน ข้อมูลนี้อธิบายพื้นฐานทางกายภาพของสัญญาณ MR และไม่ใช่พื้นฐานสำหรับการเลือกลำดับการถ่ายภาพ สาร หรือปริมาณยาสำหรับผู้ป่วยแต่ละราย

Evidence & guidelines

ฟิสิกส์ของการคลายตัวอิงตามการวิเคราะห์ที่สำคัญของ Bloembergen-Purcell-Pound และการสาธิตการสร้างภาพ NMR ของ Lauterbur โดยความแตกต่างของเนื้อเยื่อที่เกี่ยวข้องกับความคมชัดถูกเน้นย้ำครั้งแรกโดย Damadian เคมีและพฤติกรรมของสารแกโดลิเนียมได้รับการรวบรวมโดย Caravan และคณะ และฟิสิกส์ของการถ่ายภาพในตำราเช่น Bushberg และคณะ

History

พฤติกรรมการคลายตัวที่เป็นพื้นฐานของความคมชัด MR ได้รับการอธิบายในปี 1948 โดย Bloembergen, Purcell, และ Pound รายงานของ Damadian ในปี 1971 ที่ระบุว่าเวลาการคลายตัวแตกต่างกันระหว่างเนื้อเยื่อได้เสนอการใช้งานในการวินิจฉัย และวิธีการเข้ารหัสเชิงพื้นที่ของ Lauterbur ในปี 1973 ได้เปลี่ยน NMR ให้เป็นเทคนิคการถ่ายภาพ สารคีเลตแกโดลิเนียม ซึ่งได้รับการทบทวนอย่างละเอียดในปี 1999 ได้ให้วิธีการควบคุมเพื่อปรับเปลี่ยนการคลายตัวของเนื้อเยื่อและสัญญาณในภายหลัง

Key figures

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

Seminal works

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

Frequently asked questions

การคลายตัว T1 และ T2 แตกต่างกันอย่างไร?

T1 อธิบายว่าการเป็นแม่เหล็กตามยาวฟื้นตัวตามสนามหลักเร็วแค่ไหน ในขณะที่ T2 อธิบายว่าการเป็นแม่เหล็กตามขวางสลายตัวเร็วแค่ไหน; ทั้งสองเกิดจากลักษณะที่แตกต่างกันของการที่การเคลื่อนที่ของโมเลกุลรบกวนนิวเคลียส ดังนั้นจึงแตกต่างกันอย่างอิสระระหว่างเนื้อเยื่อ

ทำไมของเหลวถึงดูสว่างในภาพที่ถ่วงน้ำหนัก T2 แต่ดูมืดในภาพที่ถ่วงน้ำหนัก T1?

ของเหลวมีเวลาการคลายตัว T1 ที่ยาวและ T2 ที่ยาว ดังนั้นจึงให้สัญญาณต่ำเมื่อความแตกต่างของ T1 มีอิทธิพลต่อภาพ และให้สัญญาณสูงเมื่อความแตกต่างของ T2 มีอิทธิพล

สารเพิ่มความคมชัดแกโดลิเนียมทำให้เนื้อเยื่อสว่างขึ้นได้อย่างไร?

แกโดลิเนียมเป็นสารพาราแมกเนติกและสร้างสนามแม่เหล็กเฉพาะที่ที่ผันผวนซึ่งช่วยลด T1 ของโปรตอนน้ำที่อยู่ใกล้เคียง ทำให้สัญญาณเพิ่มขึ้นในภาพที่ถ่วงน้ำหนัก T1 ในบริเวณที่สารสะสมอยู่