در سال ۱۹۷۷ , Petter Mansfield اصول کلی EPI را پایه گذاری کرد ، اگرچه در آن زمان بدلیل وجود محدودیت های سخت افزاری و کامپیوتری این سکانس قابل اجرا نبود . در سال ۱۹۸۱ گروه وی برای اولین بار سکانس EPI را به کار‌گرفت و تصاویر حاصل از آن را به نمایش درآورد . با استفاده از یک دستگاه آزمایشگاهی آنها ۶ تصویر از قلب یک موش تهیه کردند.
در سال ۱۹۸۳ با پیشرفت در سخت افزار و امکانات کامپیوتری این گروه موفق به کسب تصاویری از انسان شدند. تصاویر مربوط به قفسه سینه یک نوزاد ۳ ماهه بود ،در این آزمایش ۵۱۲ تصویر بدست آمد و فرایند تصویربرداری حدود ۴٫۵ دقیقه طول کشید.
نخستین تصاویر EPI?
برای درک بهتر مفهوم Echo planar imaging بهتر است ابتدا مقایسه ای بین این سکانس و سکانس Spin echo داشته باشیم
در سکانس پالسی Spin echo ، یک خط از دیتای مربوط به تصویر ،یا یک خط از k-space با اعمال یک گام کدگذاری فاز در هر دوره TR، جمع آوری می شود
سکانس پالسی مذکور به ازای تعداد TR ها تکرار می شود واین روند تا اتمام مراحل کدگذاری فاز و پر شدن k-space ادامه می یابد ، بنابراین زمان اسکن در این سکانس به TRو تعداد step های کدگذاری فاز ( و البته NEX) بستگی دارد.
در تکنیک EPI ، در ازای اعمال یک پالس RF، کل خطوط و یا چندین خط از داده های تصویری جمع آوری شده و در k-space قرار می گیرند
در EPI گرادیان های کد گذاری فاز و فرکانس به طور متناوب نوسان می کنند و به طور مکرر از سیگنالFID نمونه برداری می شود ، در این جا نیاز به گرادیان های قوی با دامنه گرادیانی بیش از ۲۰mT/m و Rise time ( مدت زمان مورد نیاز برای رسیدن از صفر به دامنه ماکزیمم گرادیان) حدود ۰/۱ ثانیه و Slew rate یا آهنگ افزایش گرادیان بیش از ۲۰۰T/m/sec نیاز است . (Slew Rate = Gmax/Rise Time)
گرادیان های کدگذاری فاز و فرکانس بصورت non- blipped و blipped به کار برده می شوند .
non-blipped EPI :
در این روش گرادیان کدگذاری فاز در حین نوسان گرادیان کدگذاری فرکانس به طور مداوم روشن است، data نیز بصورت پیوسته جمع آوری شده و در k-space با یک `trajectory ` زیگ – زاگی شکل ذخیره می شود.
?
دیاگرام ونحوه پر شدن k-space در non-blipped EPI
به طور کلی دو نوع EPI وجود دارد:
Single shot EPI (SS_EPI)
Multi shot EPI (MS_EPI)
SS_EPI:
در این روش تمام دیتای مربوط به k-space طی یک تهییج یا اصطلاحا یک ‘shot’ جمع آوری می شود ، این روش فوق العاده سریع است و‌در کسری از ثانیه یک تصویر ایجاد می کند
زمان اسکن در این روش از طریق این فرمول بدست می آید : Scan time : ESP×Ny×NEX
که در اینجا ESP یا Echo sampling period معرف فاصله زمانی بین دو اکوی متوالی است
هر چند در این روش بدلیل وجود پدیده واپاشی *T2 و کم شدن دامنه سیگنال و پایین آمدن SNR ، امکان انتخاب ماتریس محدود است و بیشترین سایز ماتریس می تواند ۱۲۸×۱۲۸ باشد .
MS_EPI :
در این روش فقط بخشی از دیتای k-space در هر ‘shot’ یا تهییج پر می شود و روند تکرار هر shot یا هر’ segment’ تا تکمیل فرایند جمع آوری سیگنال ادامه دارد .
زمان اسکن در این روش از طریق فرمول زیر بدست می آید : Scan time : TR×Ny×NEX/ETL
که‌در اینجا ETL همان EPI Factor در زیمنس بوده و معرف تعداد اکوها در هر segment است
?
توالی MS_EPI
در طراحی Echo planar imaging ، به منظور دستیابی به کنتراست نزدیک به سکانس های دیگر و در عین حال استفاده از سرعت بالای این سکانس ، از ترکیب آن با توالی های پالسی GRE , SE, IR ,DW استفاده شده است که در ادامه به این موضوع می پردازیم :
Spin echo _EPI(SE_EPI):
در اینجا یک توالی پالسی اسپین اکو بصورت ۱۸۰_۹۰ قبل از توالی مربوط به EPI به کار می رود ، پالس ۱۸۰ درجه نقش مهمی در جبران نایکنواختی های میدان مغناطیسی دارد( که در EPI بسیار مشهود است )
کنتراست در اینجا شباهت زیادی به کنتراست در SE معمولی دارد ?
GRE_EPI:
در اینجا توالی گرادیان اکو قبل از EPI اعمال می شود و بدلیل عدم وجود پالس ۱۸۰ درجه کنتراست تصویر به صورت T2*w است?
Inversion Recovery_EPI(IR_EPI):
در اینجا توالی پالسی بازیافت معکوس به صورت ۱۸۰_۹۰_۱۸۰ قبل از EPI کنتراست IR با وزن T1w ایجاد می کند ?
Dw_SE_EPI :
هدف در این نوع دیاگرام تولید کنتراست دیفیوژنی است ، در واقع یک جفت گرادیان دیفیوژنی قبل و پس از پالس °۱۸۰ به منظور حذف سیگنال ناشی از پروتون های متحرک یا به اصطلاح منتشر شونده ، اعمال می شود ?
آرتیفکت های موجود در EPI :
– وجود distortion یا بهم ریختگی در تصاویر که در اثر کم شدن همفازی میان اسپین ها یا loss of phase coherence به‌وقوع می پیوندد ، دلیل این اتفاق وجود نداشتن پالس های °۱۸۰ در این سکانس است . در این پدیده ، پروتون ها یک تغییر فاز و یک خطای تجمعی فازی ایجاد می کنند و این مسئله باعث اختلال در ردیابی مکان اسپین های نقاط مختلف در تصویر و در واقع بهم ریختگی تصویر در جهت فاز می شود .
این اثر Geometric distortion نیز نام دارد که در واقع به خاطر وجود غیر یکنواختی های موضعی در میدان مغناطیسی در نواحی مجاور با یکدیگر که دارای اختلاف پذیرفتاری مغناطیسی هستند( مثل سینوس های هوایی جمجمه ) ایجاد می شود .
عملکرد ناقص گرادیان ها نیز موجب ناهمفازی و distortion در تصاویر می شود .
– آرتیفکت chemical shift که یک پدیده off- resonance رایج در تصاویر EPI است و به خاطر اختلاف فرکانس رزونانس میان پروتون های آب و چربی ایجاد می شود که البته این مسئله با اشباع چربی و یا استفاد از پهنای باند بیشتر در این تصاویر برطرف می شود .
تدابیر مختلفی برای کاهش distortion در EPI در نظر گرفته شده است از جمله :
– کاهش ETL ، یا استفاده از MS_EPI به جای SS_ EPI
– افزایش Band width
-تهیه تصاویر field map : که در تصویربرداری functional از اهمیت بالایی برخوردار است ، این تصاویر توسط یک سکانس GRE بصورت double – echo با دو TE مختلف بدست می آیند . تفاوت فاز بین دو تصویر در این سکانس متناسب با تفاوت در زمان اکو (TE) و غیر یکنواختی میدان •B است
تصاویر field map توسط محاسبه اختلاف فاز بین دو تصویر و تقسیم این اختلاف فاز بر اختلاف زمان دو اکو بدست می آیند و سپس تصویر بدست آمده بر روی تصاویر اصلی Mask می شود ، بدین ترتیب جابجایی و بهم ریختگی تصویر در این جا رفع می شود این عملیات در نرم افزارهایی مثل SPM و FSL انجام می پذیرد . برای مطالعه کامل این فرایند به لینک زیر مراجعه فرمایید :
https://lcni.uoregon.edu/kb-articles/kb-0003
همانطور که مشاهده می کنید در تصویر سمت راست با اعمال جهت کدگذاری فاز بصورت قدامی – خلفی ، اثر ناهمفازی در تصویر کمتر نمود پیدا کرده و تقارن تصویر کمتر تحت تاثیر این ناهفازی قرار گرفته است
در تصاویر آگزیال زیر نیز که از ناحیه فوقانی شکم با تکنیک EPI بدست آمده اند ، با کاهش ETL یا در واقع افزایش تعداد shot میزان geometric distortion کاهش یافته است .
کاربرد های Echo planar imaging :
بیشترین کاربرد EPI در مغز است ، حساسیت این سکانس تصویربرداری به magnetic susceptibility جدای از اینکه جزو معایب این سکانس محسوب می شود اما می تواند در تشخیص microhemorhhage ها مفید باشد . EPI- DWI به صورت روتین برای بررسی ischemia و stroke استفاده می شود .
همچنین‌می توان در تصویربرداری پرفیوژنی از EPI استفاده کرد . برای مثال در PWI با تزریق ماده حاجب نیاز است تا بصورت first pass انتقال خون در بستر مویرگی به نمایش درآید ، بنابراین سرعت تصویربرداری از اهمیت بالایی برخوردار بوده و SS_EPI کاربرد فراوانی در این حیطه دارد.
به علاوه در fMRI در بررسی فعالیت کورتکس از این سکانس بصورت توالی SE_EPI و یا GRE_EPI استفاده می شود .
از Echo planar imaging در تصویربرداری از شکم نیز استفاده می شود ، بدلیل سرعت بالا در اینجا ، حساسیت به peristalsis کمتر می شود ، می توان در کنار تصاویر HASTE که رزولوشن کنتراست پایینی دارند از SE_EPI بهره برد ، در حدود چند ثانیه می توان از ناحیه فوقانی شکم بصورت single shot و با وزن T2 تصویربرداری کرد ، قابلیت این سکانس در ایجاد کنتراست خوب بافت نرم می تواند در شناسایی ضایعات کبدی مفید واقع شود.
همانطور که مشاهده می کنید در تصویر زیر که با سکانس FSE ایجاد شده ، نقاط تیره ای وجود دارد که به سختی قابل تشخیص است
اما در این تصویر که با EPI و از همان ناحیه بدست آمده ، نقاط مربوط که در واقع متاستاز کولون به کبد هستند به خوبی دیده می شوند .
در قلب نیز EPI کاربرد گسترده ای دارد ، تصویربرداری Cine توسط تکنیک GRE_EPI انجام می شود . با این سکانس نیازی به استفاده از gating قلبی نیست ، بنابراین کاربرد فراوانی در بیماران دچار عارضه آریتمی قلبی دارد .
در شکل زیر تصویر GRE_EPI در مقایسه با تصویر GRE ، رزولوشن بهتر و زمان اسکن کمتری دارد ، اگرچه کاهش سیگنال ناشی از واپاشی *T2 در تصویر سمت راست و در اطراف بطن چپ دیده می شود که از معایب GRE_ EPI است.
همچنین در بررسی پرفیوژن قلبی و ارزیابی Ischemia در قلب از سکانس GRE_EPI با وزن *T2 استفاده می شود . این سکانس امکان دریافت رزولوشن زمانی مناسب از تصاویر قلبی را فراهم می کند ، EPI در MR Angiography و در Fetal MRI نیز استفاده‌می شود .
منبع: گروه تلگرام Optimizing MRI Sequences
تهیه کننده : جناب آقای جهرمی
