فیزیک پایه

کنتراست دهی و پارمترهای ذاتی

زمان های آسایش بالینی

اکنون تصمیم داریم تا آموزش خود را با طرح چند پرسش آغاز کنیم.

چه زمانی می گوییم تصویر دارای کنتراست است ؟

 کنتراست به معنی اختلاف است .در تصویر به اختلاف در شدت سیگنال بین دو ناحیه مجاور کنتراست گفته می شود.زمانی که تصویر دارای نواحی  با سیگنال بالا(Hyperintensity)  و نواحی با سیگنال پایین(Hypointensity) باشد ،این تصویر دارای کنتراست است.

یک بافت چه زمانی در تصویر MR روشن دیده می شود؟

اگر بافتی در زمان TE دارای یک بردار مغناطش بزرگ و هم فاز باشد چون در کویل جریان بالایی القا میکند،سیگنال بالایی دارد و در نتیجه در تصویر روشن دیده خواهد شد.

برعکس این قضیه نیز صادق است یعنی زمانی که بافتی در زمان TE که سیگنال دریافت می شود،بردار مغناطش هم فاز شده کوچکی داشته باشد نمی تواند درون کویل سیگنالی با دامنه بالا القا کند و درنتیجه به علت  سیگنال پایین، در تصویر تیره ظاهر می شود.

نکته: تا اینجا آموختیم هر چه بافتی مغناطش هم فاز شده کوچکتری داشته باشد ،سیگنال کمتری القا می کند و در تصویر تیره تر ظاهر می شود.

شکل 1 رابطه شدت سیگنال با اندازه بردار مغناطش طولی هم فاز شده

زمان های آسایش بافت های مختلف چگونه بررسی می شوند؟

در آموزش قبلی آموختیم که بازیابی T1(T1 recovery Time) و تجزیه T2 (T2 decay time)فرآیند های نمایی با ثابت های زمانی بازیابی T1 و تجزیه T2 هستند که نشان دهنده مدت زمانی است که برای بازیابی 63٪ مغناطش اولیه در صفحه طولی به دلیل انتقال انرژی اسپین_شبکه ای طول می کشد ( زمان بازیابی T1) ، یا به وسیله آسایش اسپین_اسپین (زمان تجزیه T2) در صفحه عرضی از بین می رود.T1 بافت به چگونگی از دست دادن انرژی به محیط اطراف(شبکه) توسط پرتون ها(اسپین) وابسته است.(Spin_Latice Relaxtion time).بیشترین انتقال انرژی موثر پرتون ها به محیط اطراف در فرکانسی رخ می دهد که برابر فرکانس لارمور باشد.از آنجایی که در یک میدان 1T فرکانس لارمور برای هسته های هیدروژن در حدود 42.6  Mhz/T است

اکنون می خواهیم این زمان های آسایش را در بافت های مختلف بررسی کنیم.

آب

پرتون های هیدروژن آب فرکانس حرکت طبیعی بسیار بزرگتری نسبت به فرکانس لارمور هیدروژن دارند در نتیجه انتقال انرژی از اسپیین ها به شبکه به طور موثر اتفاق نمی افتد و بازیابی63 درصد از بردار مغناطش مدت زمان بیشتری به طول می انجامد(زمان T1 طولانی ت دارند)

جامدات

پرتون های جامدات فرکانس حرکت طبیعی شان تا حدودی کوچک تر از فرکانس لارمور هیدروژن می باشد  و در نتیجه اینجا نیز انتقال انرژی از اسپین ها به شبکه به طور موثر اتفاق نمی افتد و بازیابی 63 درصد از بردار مغناطش مدت زمان بیشتری به طول می انجامد(زمان  T1 نسبتا طولانی دارند)

چربی

پرتون های هیدروژن در چربی با فرکانسی برابر با فرکانس لارمور هیدروژن های مورد استفاده در MRI دارند. در نتیجه انتقال انرژی از اسپین ها به شبکه به طور موثر  رخ می دهد و بردار مغناطش طولی آنها سریعا بازیابی می شود(زمان آسایش T1 کوتاهی دارند).

اما اگر بخواهیم در مورد زمان تجزیه T2 صحبت کنیم باید گفت که زمان تجزیهT2 به وسیله سرعت نا هم فاز شدن اسپین های پرتون های آن بافت تعیین می شود:

  • هر چه سریعتر اسپین ها نا هم فاز شوند ، بردار مغناطش هم فاز شده عرضی سریعتر تجزیه می شود و در زمان TE که اکو دریافت می شود ، با داشتن مغناطش هم فاز شده کوچک،سیگنال کوچکی نیز درون کویل القا می شود.
  • هر چه اسپین ها آهسته تر ناهم فاز شوند ، بردار مغناطش هم فاز شده عرضی کندتر تجزیه می شود و در زمان TE که اکو دریافت می شود با داشتن بردار مغناطش هم فاز شده بزرگتر ، سیگنال بزرگتری نیز در کویل القا می کنند

عامل مدنظر نا هم فازی مغناطش عرضی برهم کنش در این جا برهم کنش های اسپین_اسپین است که تاثر یک پرتون بر پرتون دیگر را بیان میکند.فاصله بین این پرتون ها(چه پرتون های هیدروژن یک مولکول و پرتون های هیدروژن مولکول های مجاور) در میزان برهم کنش بین آنها نقش اساسی دارد.

اکنون به بررسی سرعت نام هم فاز شدن در مولکول های مختلف می پردازیم.

جامدات

جامدات چون ساختار فشرده دارند و فاصله بین پرتون ها طبیعتا کمتر است برهم کنش بین اسپین های آنها بیشتر است و در نتیجه با افزایش برهم کنش ها  در جامدات با افزایش سرعت ناهم فازی مواجه هستیم.در نتیجه در جامدات ناهم فازی سریعا رخ داده و زمان تجزیه T2 کوتاه می باشد.

آب

چون در اب مولکول ها پراکنده اند برهم کنش بین اسپین های آنها کم است و نا هم فازی با سرعت کمتری نسبت به جامدات اتفاق می افتد.در نتیجه زمان تجزیه T2 آب طولانی است.

چربی

ساختار این مواد و مواد پروتئینی به طوری است که ناهم فاز شدن کمتری نسبت به جامدات و ناهمفازی بیشتری نسبت به مایعات دارند .بنابراین زمان T2 این بافت ها بین آب و جامدات است.

شکل 2 : زمان تجزیه T2 در چربی

شکل 3:زمان تجزیه T2 در آب

همانطور که از شکل های بالا مشخص است ناهم فازی و در نتیجه زمان تجزیه T2 در چربی با سرعت بیشتری نست به آب اتفاق می افتد.

شکل 4 : زمان بازیابی T1 سه بافت اصلی:آب،جامدات و چربی

شکل 5 : زمان های تجزیه T2 3 بافت اصلی

جمع بندی و خلاصه این آموزش

  • هر چه بردار مغناطش عرضی بعد از اعمال پالس RF بزرگتر باشد ، سیگنال بیشتری القا می شود و در تصویر روشن تر ظاهر تر می شود.
  • زمان آسایش T1 معرف ثابت زمانی پس دادن انرژی دریافتی از اسپین ها به شبکه خود است و این انتقال انرژی زمانی موثر واقع می شود که فرکانس حرکت طبیعی مولکول به فرکانس لارمور هیدروژن در همان میدان نزدیک تر باشد
  • زمان تجزیه T2 معرف ثابت زمانی  نا هم فاز شدن بردار مغناطش عرضی است که توسط میزان برهم کنش اسپین های مجاور بر هم مشخص می شود.
  • ترتیب زمان آسایش T1 بافت های اصلی: چربی>جامدات<آب
  • ترتیب زمان تجزیه T2  بافت های اصلی: جامدات<چربی ها<آب

کنتراست دهی تصاویر و پارامتر های TR  و TE

قبل از ورود به مباحث کنتراست دهی ابتدا توضیح مختصری در مورد پارمتر های TR و TE باید داده شود.

TR

هر سکانس پالسی از چندین پالس RF پشت سرهم تشکیل شده است.(علت نامیدن آن به صورت Pulse sequence نیز به نکته توالی پالس RF اشاره دارد)

این که پالس های RF با چه فاصله ای از هم اعمال شوند هم بر روی زمان کلی اسکن و هم وزن تصویر تصویر تاثیر اساسی دارد و نیاز است با توجه به نیاز،فاصله بین پالس های RF کم یا زیاد شود.

مدت زمانی که از ابتدای یک پالس تحریکی RF در یک سکانس تا پالس RF بعدی در همان سکانس به طول می انجامد ، زمان TR(Time of Repetition   یا زمان تکرار ) گفته می شود.(در واقع این پارامتر زمان بین اعمال پالس های RF متوالی را مشخص می کند)

بردار مغناطش طولی که با هر پالس RF به صفحه عرضی منحرف می شود ، به اندازه زمان TR (تا قبل از پالس تحریکی بعدی) فرصت بازیابی دارد.هر چه در این زمان بازیابی بیشتری انجام شود ، قبل از اعمال پالس تحریک کننده بعدی بردار مغناطش طولی بزرگتری خواهیم داشت.

TE

بعد از اعمال هر پالس تحریک کننده RF ، بردار مغناطش طولی به صفحه عرضی منحرف می شود و درون کویل سیگنال القا می کند.به جای اینکه اندازه گیری سیگنال القا شده را بلافاصله بعد از پالس RF تحریک کننده انجام دهیم(که به علت محدودیت های الکترونیکی امکان پذیر نمی باشد) ، یک مدت زمان کوتاه صبر کرده و بعد اندازه گیری را انجام می دهیم.این که چه مقدار صبر کرده و سپس، اندازه گیری سیگنال را انجام دهیم نکته ای بسیار مهم است که روی اندازه سیگنال تاثیر دارد.طبیعی است که هر چقدر بیشتر صبر کرده و در اندازه گیری تاخیر بیندازیم ،بردار مغناطش عرضی بیشتر ناهم فاز می شود(تجزیه T2 ) و سیگنال کمتری را دریافت کرده ایم.

پارامتر TE ، مخفف Echo Time و یا Echo Delay Time (زمان تاخیر اکو) است که به مدت زمانی اشاره دارد که در بعد از پالس RF تحریک کننده ، برای اندازه گیری سیگنال صبر می کنیم.

باید  دقت داشت که بر اساس وزن مطلب تصویر،باید به دو پارامتر به درستی تنظیم شوند که در ادامه به آنها می پردازیم.

در مباحث قبلی آموختید که زمان های آسایش به چه مفهومی هستند و همچنین دلایل اختلاف در زمان های آسایش بافت های مختلف نیز گفته شد و اکنون زمان آن است که در مورد نحوه کنتراست دهی تصویر و انواع کنتراست ها صحبت کنیم.

قبل از ورود به این بحث لازم است مجددا بر روی دو نکته ی مهم تاکید شود:

  • زمان های آسایش T1  و T2 از خاصیت های ذاتی بافت هستند و هر بافتی زمان آسایش خاص خود را دارد.
  • آسایش T1 و تجزیه T2 به صورت همزمان و مستقل از یکدیگر رخ می دهند.

کنتراست T1

این اصطلاح به این معنی است که کنتراست نهایی تصویر بیش از هر مکانیسم دیگری،ناشی از اختلاف در زمان های آسایش T1 بافت هااست.

بنابراین در تصاویر با کنتراست T1 :

  • اساس وزن تصویر ، اختلاف در زمان های آسایش بافت های مختلف است.

در یک TR مشخص هر چه زمان آسایش T1 بافتی کمتر باشد،در این مدت زمان نسبت به سایر بافت ها بردار مغناطیسی آن بیشتر بازیابی شده و بعد از تحریک توسط RF سیگنال قوی تری در کویل القا کرده و در تصویر روشن تر ظاهر می شود.

بافت هایی که T1 طولانی دارند در یک TR مشخص ، بردار مغناطیسی طولی آنها کمتر بازیابی شده و در نتیجه بعد از اعمال پالس RF ، سیگنال کمتری در کویل القا کرده و در تصویر تیره تر به نمایش در می آید.

به بیانی دیگر،در یک مدت زمان مشخص بعد از پالس RF ،بافت هایی که T1 کوتاه تری دارند ،سریعتر فرایند بازیابی را انجام می دهند و بردار مغناطش طولی بزرگتری دارند و بافت هایی هم که زمان T1 طولانری تری دارند ، فرآیند بازیابی را آهسته تر انجام داده و بردار مغناطش طولی کمتری در پایان این مدت زمان خواهند داشت .

اگر بخواهیم مطالب فوق را جمع بندی کنیم می توانیم بگوییم که :

در تصاویر با کنتراست وزنی T1 :

  • هر چه بافتی زمان T1 کوتاه تری داشته باشد ، در تصویر روشن تر دیده خواهد شد(چرا؟؟؟؟)
  • هر چه بافتی زمان T1 طولانی تری داشته باشد ، در تصویر تیره تر دیده خواهد شد(چرا؟؟؟؟)

بر اساس مطالب قبلی و با استناد بر مباحث این جلسه،می توانیم پیش بینی کنیم که چربی و آب در تصاویر با کنتراست وزنی T1 به چه صورت به نمایش در خواهند آمد.

برای اینکه تصویری با کنتراست وزنی T1 مطلوب داشته باشیم باید TR کوتاه انتخاب کنیم (TR ای که از لحاظ زمانی تفاوت زیادی با T1 بافت مورد مطالعه نداشته باشد).علت انتخاب TR کوتاه چیست؟

در TR کوتاه به بافت ها فرصت زیادی برای بازیابی داده نمی شود و می توانیم اختلاف بین بردار های مغناطش آنها را به خوبی نشان دهیم.در صورتی که TR طولانی انتخاب شود بازیابی کامل در تمام بافت ها رخ می دهد و نمی توان بین آنها اختلافی نشان داد.

بنابراین زمان TR ، کنتراست وزنی T1 تصاویر را کنترل می کند.

همانطور که در شکل بالا می بینید در TR های کوچک بهتر میتوان اختلاف بین زمان های آسایش T1  بافت ها را نشان داد.

کنتراست  T2

این اصطلاح به این معنی است که کنتراست نهایی تصویر بیش از هر مکانیسم دیگری،ناشی از اختلاف در زمان های آسایش T2 بافت ها است.همانطور که پیش تر آموختیم آنچه که باعث بروز تجزیه T2 می شود ، ناهم فازی است.در یک مدت زمان مشخص هر چه بافتی زمان تجزیه T2 کوتاه تری داشته باشد ، بردار مغناطش عرضی آن سریعتر ناهم فاز شده و سیگنال  کمتری القا می کند و برعکس در مورد بافت هایی که زمان تجزیه T2 طولانی دارند چون در طی این زمان دیرتر ناهم فاز می شوند،بردار مغناطیسی عرضی آنها دیرتر تجزیه شده و سیگنال بیشتری القا می کنند.

در نتیجه:

  • بافت هایی که زمان تجزیه T2 طولانی تری دارند ، در تصویر با کنتراست وزنی T2 روشن تر دیده می شوند.
  • بافت هایی که زمان تجزیه T2 کوتاه تری دارند ، در تصویر با کنتراست وزنی T2 تیره تر دیده می شوند.

بر اساس مباحث گذشته و مواردی که در این جلسه گفته شد می توانیم پیش بینی که چربی و آب در تصاویری با کنتراست وزنی T2 به چه صورت به نمایش در می آیند.

برای دستیابی به تصویری با کنتراست وزنی T2 مطلوب باید به بافت ها فرصت کافی داده شود تا بردار های مغناطش عرضی آنها تا حدی تجزیه بشوند.در TE های کوتاه اختلاف زیادی بین مغناطش های عرضی وجود ندارد ، بنابراین نمی توان تصویری ایجاد کرد که اساس آن اختلاف در زمان های آسایش T2  بافت ها باشد.

در نتیجه پارامتر TE ، کنتراست T2 بافت ها را کنترل می کند.

همانطور که در شکل بالا می بینید در TE های طولانی میتوان بهتر اختلاف بین زمان های آسایش T2 بافت ها را نشان داد.

 جمع بندی نکات مهم و خلاصه این آموزش:

  • زمان TR معرف مدت زمانی است که از ابتدای یک پالس تحریکی در یک سکانس تا ابتدای پالس تحریکی بعدی در همان سکانس به طول می انجامد.
  • زمان TE معرف مدت زمانی است که بعد از اعمال پالس RF صبر می کنیم و سپس سیگنال را اندازه گیری میکنیم.چ
  • پارامتر های TR و TE به ترتیب کنتراست های وزنی T1 و T2 را کنترل می کند.
  • برای دستیابی به کنتراست وزنی T1 باید TR کوتاه انتخاب شود
  • برای دستیابی به کنتراست وزنی T2 باید TE بزرگ انتخاب شود
  • در یک تصویر با کنتراست وزنی T1، هر چه بافتی زمان T1 کوتاه تری داشته باشد ، در تصویر روشن تر دیده خواهد شد
  • در یک تصویر با کنتراست وزنی T1، هر چه بافتی زمان T1 طولانی تری داشته باشد ، در تصویر تیره تر دیده خواهد شد
  • در یک تصویر با کنتراست وزنی T2، هر چه بافتی زمان T2 کوتاه تری داشته باشد ، در تصویر تیره تر دیده خواهد شد
  • در یک تصویر با کنتراست وزنی T2، هر چه بافتی زمان T2 طولانی تری داشته باشد ، در تصویر روشن تر دیده خواهد شد.

گردآورنده :

امیر دارینی

منابع :

MRI in practice, Catherine Westbrook

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.