สวัสดีครับผู้อ่านทุกท่าน ในบทความนี้จะขอพูดถึงเกี่ยวกับหลักการพื้นฐานทางฟิสิกส์ของเอ็มอาร์ไอ ในส่วนของภาพแบบ T1 contrast นะครับ แต่ไม่ต้องกลัวว่าจะอ่านแล้วเครียดนะครับผู้เขียนจะกล่าวถึงหลักการทั่วๆไปโดยไม่ได้ลงลึกทางฟิสิกส์ เพราะหลักการส่วนใหญ่ทุกท่านอาจจะเคยศึกษามาบ้างแล้ว ในส่วนนี้จะพยายามอธิบายปรากฏการณ์ทางฟิสิกส์ให้เกี่ยวข้องกับการใช้งานทางคลินิกให้มากที่สุด
หลักทั่วไปเกี่ยวกับการเกิด Spin และ T1 Relaxation
ในร่างกายของมนุษย์เราส่วนใหญ่ประกอบไปด้วยอะตอมของไฮโดนเจน จึงเป็นเหตุผลที่เราใช้สัญญาณจากอะตอมไฮโดรเจนมาใช้สร้างภาพเอ็มอาร์ไอ ไฮโดรเจนมี magnetic angular moment ที่มีเพียงประจุบวกหรือโปรตอนเท่านั้น ในสภาวะที่ไม่ได้อยู่ในสนามแม่เหล็กโปรตอนจะหมุน (spin)ในทิศทางแบบสุ่ม คือ มีทิศทางการหมุนไม่เป็นระเบียบแบบแผน โดยเหตุนี้จึงทำให้ผลรวมของ magnetic vector เป็นศูนย์หรือไม่มีสัญญาณนั่นเอง
เมื่อโปรตอนเหล่านี้อยู่ในสนามแม่เหล็ก (B0) กลุ่มโปรตอนที่มีพลังงานต่ำๆ จะจัดเรียงตัวตามแนวทิศของสนามแม่เหล็กหลัก (B0) ส่วนกลุ่มที่มีพลังงานสูง จะวางตัวในแนวตรงข้าม ซึ่งส่วนใหญ่แล้วกลุ่มที่มีพลังงานต่ำๆ ที่จัดวางตัวในแนวขนานกับทิศของสนามแม่เหล็กหลักจะมีจำนวนมากกว่า เนื่องจากไฮโดรเจนมีทั้ง Magnetic และ angular momentum จึงทำให้มันหมุนควง (precess) หรือส่าย ไปรอบๆ แนวแกนของสนามแม่เหล็ก B0 แทนที่จะหมุน (spin)เป็นวงกลมรอบๆแกนสนามแม่เหล็ก B0 เฉยๆ การหมุนควงนี้จะเกิดทั้งในส่วน Longitudinal (Mz)และ transverse (Mxy)ใน Magnetic Moment ของโปรตอน โดยจะหมุนควงด้วยความถี่ที่สอดคล้องกับความถี่ Larmor ซึ่งเป็นความถี่ที่กำหนดความถี่ RF pulse ที่จะกระตุ้นให้เกิดสัญญาณของโปรตอน (Proton resonance ) ความถี่ Larmor เป็นสัดส่วนโดยตรงต่อสนามแม่เหล็กหลัก เช่น ที่ 1.5 Tesla ความถี่ Larmor ของไฮโดรเจนหรือโปรตอน จะอยู่ที่ 63.8 MHz และ ประมาณ 127 MHz ใน 3 Tesla
(Larmor frequency = ɣ*B0)
ผลรวม Vector หรือ “Vector sum” ของ Magnetic moment ของกลุ่มโปรตอนที่มีการหมุนควง (ทั้งในแนว Mx และ Mxy) ทำให้เกิด Net equilibrium Magnetization (M0) โดยปกติแล้ว Magnetization vector จะอยู่ในทิศตามยาว หรือ Longitudinal direction (Mz) ซึ่งเป็นทิศที่ขนานกับทิศของสนามแม่เหล็กหลัก B0 นั่นเอง และจะไม่มีสัญญาณในแนว transverse (Mxy) เนื่องจากโปรตอนแต่ละตัวไม่ได้หมุนในแนวเฟสเดียวกัน หรือไม่ได้อยู่ในสภาวะ in phase ทำให้เกิดการหักล้างกันของ vector ทำให้ไม่มีสัญญาณในแนวนี้ เมื่อมีการเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กหลัก B0 เป็น 3 Tesla จะทำให้โปรตอนกลุ่มพลังงานต่ำที่จัดวางเรียงตัวขนานกับแนวแกนของสนามแม่เหล็กหลักมีจำนวนเพิ่มมากขึ้นส่งผลให้ Net Magnetization เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ พูดให้เข้าใจง่ายๆก็คือ ได้สัญญาณที่มีความแรงมากขึ้นนั่นเอง อย่างไรก็ตามขดลวดที่ใช้รับสัญญาณ (receiver coil) มีความไวเฉพาะกับ Magnetization vector ที่มีการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น กลุ่ม original main magnetization ทั้งหลายตามแนวแกน z ขดลวดรับสัญญาณจะมองเป็น “stationary” Vector ซึ่งจะไม่ถูกเก็บสัญญาณ ด้วยเหตุนี้ จึงต้องมีการทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลงของ Magnetization vector โดยการกระตุ้นด้วย RF pulse
การกระตุ้น RF pulse จะทำให้โปรตอนมีการดูดกลืน (absorption )เอาพลังงานของคลื่นวิทยุดังกล่าวไว้และเกิดการหมุนควงด้วยความถี่เดียวกันกับความถี่ของคลื่นวิทยุที่กระตุ้น หรือความถี่ Larmor การดูดกลืนพลังงานของโปรตอนจะทำให้โปรตอนนั้นเปลี่ยนสถานะพลังงานจากพลังงานต่ำ (ขนานกับ B0) ไปอยู่ในสถานะพลังงานสูง (ตรงข้าม B0) ขณะเดียวกันก็จะเกิด phase coherence ของโปรตอนอีกครั้งเนื่องจากโปรตอนพยายามจะกลับมาอยู่ในเฟสเดิมที่เคยอยู่ตั้งแต่แรก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียสัญญาณในแนว longitudinal magnetization (Mz) ส่วน Net magnetization ในแนว transverse (Mxy)จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ หากพูดให้เข้าใจง่ายๆ ก็คือ เป็นการผลัก Magnetization ในแนวแกน Mx ลงมาในแนว Mxy เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานเพื่อให้ขดลวดสามารถตรวจวัดสัญญาณได้นั่นเอง
การกำหนดมุมในแนว transverse magnetization ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดหรือความเข้มของ RF pulse และระยะเวลาที่กระตุ้น เราพบว่ามุม 90° RF pulse เป็นมุมที่ทำให้โปรตอนลงมาอยู่ในแนว transverse ได้อย่างสมบูรณ์มากที่สุด
หลังจากที่ทำการกระตุ้น RF pulse ไปแล้วนั้นกลุ่มโปรตอนที่มีการดูดกลืนพลังงานและหมุนควงด้วยความถี่เดียวกับ RF pulse ที่กระตุ้นจะหาทางคายพลังงาน ( Relax) เพื่อให้กลับมาอยู่ในสภาวะสมดุลอีกครั้ง (Equilibrium) ซึ่งจะทำให้เกิดสองกลไกด้วยกันนั่นก็คือ Transverse (T2) และ Longitudinal (T1) relaxation สองกลไกนี้จะเกิดขึ้นพร้อมๆกัน แต่อัตราการเกิดของกลไกทั้งสองจะแตกต่างกัน
Transverse relaxation หมายถึงการสูญเสียพลังงานหรือ สูญเสียภาวะ phase coherence เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาระหว่าง spinning proton ด้วยกันเอง หรือ Spin-Spin relaxation ปรากฏการณ์นี้จะทำให้ Net Magnetization ในแนว Transverse ลดลง บางครั้งก็อาจจะเรียกว่า T2 decay ซึ่งรายละเอียดผู้เขียนจะขอกล่าวถึงในบทความต่อไป
ใน T1 Relaxation กลุ่มของ resonating proton จะมีการถ่ายเทพลังงานให้กับ Nuclei อื่นๆที่อยู่รอบๆตัวมัน (Lattice) เพื่อกลับมาอยู่ในสภาวะสมดุลอีกครั้ง บางครั้งเราจะเรียกว่า Spin-Lattice relaxation ซึ่งส่งผลให้ Net magnetization ในแนว longitudinal magnetization เพิ่มขึ้น การเกิดของ T1 relaxation จะเกิดแบบ Exponential rate โดยเวลาที่ T1 หมายถึง เวลาที่ longitudinal magnetization กลับคืนตัวมาที่ 63% ก่อนจะถึงจุดสุดท้าย เราสามารถมองเห็นเนื้อเยื่อแตกต่างกันได้ในภาพ T1W เนื่องจากเนื้อเยื่อแต่ละชนิดมีค่า T1 relaxation ที่ต่างกันและนอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของการถ่ายเทพลังงานไปยังเนื้อเยื่อข้างเคียงด้วย เนื้อเยื่อที่มี T1 relaxation time สั้นๆ (คืนตัวเร็ว) เช่น เช่นไขมัน จะให้สัญญาณมากกว่าเนื้อเยื่อที่มี T1 Relaxation นานๆ (คืนตัวช้า) เช่น น้ำ ซึ่งให้สัญญาณค่อนข้างต่ำ
คุณลักษณะที่เฉพาะตัวระดับโมเลกุลของเนื้อเยื่อแต่ละชนิดทำให้มีค่า T1 relaxation ที่ต่างกัน กรณี่ที่แต่ละโมเลกุลในเนื้อเยื่อนั้นมีความถี่ธรรมชาติ (Natural motional frequency) ใกล้เคียงกับความถี่ Larmor มากท่าไหร่ โอกาสที่จะเกิดการถ่ายเทพลังงานให้กับโมกุลอื่นที่อยู่รอบๆมันมากขึ้นเท่านั้น ทำให้ T1 relaxation เกิดขึ้นเร็ว ซึ่งมักจะเกิดในโมเลกุลที่มีขนาดกลางๆ เช่น ไขมัน (Fat) โมเลกุลของไฮโดรเจนที่เป็นส่วนประกอบของ ไขมันจะมีความถี่ธรรมชาติที่ใกล้เคียงกับกับความถี่ Larmor ทำให้ใน Fat เกิด T1 relaxation ค่อนข้างเร็ว ส่วนโมเลกุลขนาดเล็ก (small molecule) อย่างเช่น ใน Free water ( CSF ) เคลื่อนที่ค่อนข้างเร็ว และกลุ่ม โมเลกุลขนาดใหญ่ (Macromolecule) อย่างโปรตีนที่เคลื่อนไหวค่อนข้างช้า นั้นต่างมีความถี่ธรรมชาติที่แตกต่างกันและมีความถี่ที่ต่างจากความถี่ Larmor มากกว่าเมื่อเทียบกับไขมัน ทำให้มี T1 relaxation time ที่ค่อนข้างยาวนานเหมือนๆกัน
เมื่อพูดคำว่า T1 shortening เราจะหมายถึงการทำให้เวลา T1 relaxation ของเนื้อเยื่อลดลง ซึ่งมันจะให้สัญญาณที่มีความเข้มสูงในภาพ T1W pulse sequence มากกว่าที่เราคิด ปรากฏการณ์นี้เกิดจากอิทธิพลของสาร Agent ที่ไปเหนี่ยวนำ T1 relaxivity ของ โปรตอนใน Free water โดยรอบให้มี T1 relaxation time ที่สั้นลง ซึ่งเกิดจากการที่สาร agent เหล่านี้ทำให้เกิด paramagnetic (gadolinium, manganese, methemoglobin) หรือ hydration layer (Protein, ionic calcium ) effects สาร paramagnetic agent ที่เรารู้จักมากที่สุดคงจะเป็น gadolinium chelates ซึ่งนำมาใช้เป็นสารเปรียบต่างเนื้อเยื่อ (contrast-enhanced agent)
การพิจารณา T1 Contrast และ Pulse sequence
ปกติแล้วคอนทราสของภาพเอ็มอาร์ไอนั้นไม่ได้มีการแยก T1 T2 PD ซะทีเดียว ด้วยเทคนิคการตั้งค่าพารามิเตอร์ทำให้เราได้ภาพที่มีคอนทราสของภาพที่หลากหลายปนกัน ขึ้นอยู่กับว่าจะตั้งให้คอนทราสแบบไหนมากกว่ากัน นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเราจึงใช้คำว่า T1,T2 และ PD weighting เมื่อพูดถึงคอนทราสในภาพเอ็มอาร์ไอ
Spin Echo
หลักการสำหรับ spin echo sequence คือ ทำการกระตุ้น 90° RF pulse ก่อนแล้วตามด้วย 180° refocusing pulse ซึ่งกระตุ้นช่วงครึ่งทางของ echo time เพื่อทำให้โปรตอนกลับมารวมเฟสกันอีกครั้ง (in phase state) พารามิเตอร์ที่มีผลต่อ T1 contrast มากที่สุดสำหรับ SE sequence นั่นก็คือ Time to Repetition (TR) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่จะเริ่มทำการกระตุ้นด้วย 90° RF pulse รอบใหม่ ช่วง TR ของ T1W SE sequence จะอยู่ในช่วง 400-800 msec หากเราตั้งค่า TR ยาวเกินไปจะทำให้ magnetization ของเนื้อเยื่อต่างๆคืนตัวในแนว longitudinal จนหมด ซึ่งจะทำให้ได้ SNR ที่มากขึ้นก็จริงแต่ภาพจะมีความเป็น T1 contrast น้อยลงตามไปด้วย ขณะที่การปรับพารามิเตอร์ TR นั้นจะส่งผลต่อ T1 contrast ส่วนการปรับพารามิเตอร์ Time to Echo (TE) จะส่งผลต่อ T2 contrast TE คือช่วงเวลาระหว่าง การกระตุ้น 90° RF pulse และเวลาที่จะเก็บสัญญาณ พารามิเตอร์ TE มีผลอย่างมากที่จะทำให้ความเป็น T2 contrast ลดลง หากต้องการลดความเป็น T2 contrast (T1 contrast จะเด่นชัดขึ้น) ควรตั้งค่า TE ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ (ประมาณ 15-25 msec) หากตั้งค่า TE มากขึ้นระดับกลางๆ จะทำให้ได้ T2 Contrast เพิ่มขึ้นมาอย่างมีนัยสำคัญ สรุปให้เข้าใจง่ายๆก็คือ TR นั้นใช้ปรับเพื่อให้ได้ T1 contrast ส่วน การปรับ TE จุดประสงค์เพื่อต้องกการลดหรือเพิ่มการเกิด contrast แบบ T2 ให้ได้มากที่สุดนั่นเอง
Gradient Recalled Echo Pulse sequence
Pulse sequence กลุ่มนี้จะกระตุ้น RF pulse ด้วยเทคนิค variable flip angle (<90°) หลังจากนั้นทำการรวมเฟส ( rephrase ) โปรตอนด้วย gradients ที่มี magnitude และ duration เหมือนๆกัน แต่มีขั้ว (polarities ) ต่างกัน ซึ่งจะต่างจาก SE ที่กระตุ้นด้วย 180° refocusing pulse เพื่อทำการรวมเฟสโปรตอน สำหรับการสแกนด้วย GRE แล้ว flip angle มีบทบาทอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลง T1 contrast การใช้ flip angle น้อยๆ จะทำให้โปรตอนคืนตัวในแนว Longitudinal อย่างรวดเร็ว TR ที่ใช้ควรน้อยกว่า 200 msec ส่วน TE จะน้อยกว่า 10msec เพื่อลดการเกิดภาพแบบ T2 contrast
ข้อดีของ GRE ที่เหนือ SE คือ
- ใช้เวลาสแกนน้อย faster scan time เนื่องจาก TR น้อยกว่า
- SAR ต่ำกว่า เนื่องจากไม่มีการใช้ 180° Refocusing pulse
ข้อเสียของ GRE
- มีการสูญเสียสัญญาณไวมากเนื่องจากจากสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอและ T2* effect เพราะ ไม่มีการกระตุ้นด้วย 180° RF pulse นั่นเอง
- SNR ต่ำกว่า SE
ผลที่ตามมาจากการใช้ TR น้อยๆ นั่นก็คือ จะหลงหลือ transverse magnetization อยู่บ้าง ก่อนที่จะเริ่มกระตุ้นรอบใหม่ หากเราปล่อยไว้ไม่ทำอะไร ก็จะทำให้ได้สัญญาณของ T2 contrast เข้ามาเกี่ยวด้วย ก่อนที่จะคืนตัวไปในแนว longitudinal ในที่สุด ด้วยเหตุนี้จึงต้องทำการกระตุ้นด้วย spoiling gradient ก่อนที่จะทำการกระตุ้นคลื่นวิทยุรอบใหม่ เพื่อทำลาย การรวมเฟสของ magnetization ในแนว transverse (Transverse magnetization steady state) แล้วปล่อยให้มันคืนตัวไปในแนว Longitudinal ถึงจะทำการกระตุ้นคลื่นวิทยุรอบใหม่ต่อไป
หากต้องการสแกนด้วยเวลาสั้นมากๆ เราจะใช้ Ultrafast GRE แทน ซึ่งใช้ TR น้อยกว่า 3 msec และใช้ flip angle น้อยมากๆ ถ้าหากเราสแกนด้วยเทคนิคนี้จะทำให้มีผลต่อ T1 contrast เป็นอย่างมาก ดังที่ได้อธิบายไว้แล้วก่อนหน้านี้ ด้วยเหตุนี้ใน Ultrafast GRE จึงมีการใช้เทคนิคเพิ่มเติม นั่นก็คือ preparatory pulse นั่นเอง โดยจะมีการกระตุ้นด้วย preparatory pulse นำร่องไปก่อน เพื่อปรับ Magnetization ให้กลับลงไปอยู่ด้านตรงข้าม ก่อนที่จะเริ่มกระตุ้นและเก็บสัญญาณภาพตามปกติ
หลักทั่วไปเกี่ยวกับการเกิด Spin และ T1 Relaxation
ในร่างกายของมนุษย์เราส่วนใหญ่ประกอบไปด้วยอะตอมของไฮโดนเจน จึงเป็นเหตุผลที่เราใช้สัญญาณจากอะตอมไฮโดรเจนมาใช้สร้างภาพเอ็มอาร์ไอ ไฮโดรเจนมี magnetic angular moment ที่มีเพียงประจุบวกหรือโปรตอนเท่านั้น ในสภาวะที่ไม่ได้อยู่ในสนามแม่เหล็กโปรตอนจะหมุน (spin)ในทิศทางแบบสุ่ม คือ มีทิศทางการหมุนไม่เป็นระเบียบแบบแผน โดยเหตุนี้จึงทำให้ผลรวมของ magnetic vector เป็นศูนย์หรือไม่มีสัญญาณนั่นเอง
เมื่อโปรตอนเหล่านี้อยู่ในสนามแม่เหล็ก (B0) กลุ่มโปรตอนที่มีพลังงานต่ำๆ จะจัดเรียงตัวตามแนวทิศของสนามแม่เหล็กหลัก (B0) ส่วนกลุ่มที่มีพลังงานสูง จะวางตัวในแนวตรงข้าม ซึ่งส่วนใหญ่แล้วกลุ่มที่มีพลังงานต่ำๆ ที่จัดวางตัวในแนวขนานกับทิศของสนามแม่เหล็กหลักจะมีจำนวนมากกว่า เนื่องจากไฮโดรเจนมีทั้ง Magnetic และ angular momentum จึงทำให้มันหมุนควง (precess) หรือส่าย ไปรอบๆ แนวแกนของสนามแม่เหล็ก B0 แทนที่จะหมุน (spin)เป็นวงกลมรอบๆแกนสนามแม่เหล็ก B0 เฉยๆ การหมุนควงนี้จะเกิดทั้งในส่วน Longitudinal (Mz)และ transverse (Mxy)ใน Magnetic Moment ของโปรตอน โดยจะหมุนควงด้วยความถี่ที่สอดคล้องกับความถี่ Larmor ซึ่งเป็นความถี่ที่กำหนดความถี่ RF pulse ที่จะกระตุ้นให้เกิดสัญญาณของโปรตอน (Proton resonance ) ความถี่ Larmor เป็นสัดส่วนโดยตรงต่อสนามแม่เหล็กหลัก เช่น ที่ 1.5 Tesla ความถี่ Larmor ของไฮโดรเจนหรือโปรตอน จะอยู่ที่ 63.8 MHz และ ประมาณ 127 MHz ใน 3 Tesla
(Larmor frequency = ɣ*B0)
ผลรวม Vector หรือ “Vector sum” ของ Magnetic moment ของกลุ่มโปรตอนที่มีการหมุนควง (ทั้งในแนว Mx และ Mxy) ทำให้เกิด Net equilibrium Magnetization (M0) โดยปกติแล้ว Magnetization vector จะอยู่ในทิศตามยาว หรือ Longitudinal direction (Mz) ซึ่งเป็นทิศที่ขนานกับทิศของสนามแม่เหล็กหลัก B0 นั่นเอง และจะไม่มีสัญญาณในแนว transverse (Mxy) เนื่องจากโปรตอนแต่ละตัวไม่ได้หมุนในแนวเฟสเดียวกัน หรือไม่ได้อยู่ในสภาวะ in phase ทำให้เกิดการหักล้างกันของ vector ทำให้ไม่มีสัญญาณในแนวนี้ เมื่อมีการเพิ่มความเข้มของสนามแม่เหล็กหลัก B0 เป็น 3 Tesla จะทำให้โปรตอนกลุ่มพลังงานต่ำที่จัดวางเรียงตัวขนานกับแนวแกนของสนามแม่เหล็กหลักมีจำนวนเพิ่มมากขึ้นส่งผลให้ Net Magnetization เพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญ พูดให้เข้าใจง่ายๆก็คือ ได้สัญญาณที่มีความแรงมากขึ้นนั่นเอง อย่างไรก็ตามขดลวดที่ใช้รับสัญญาณ (receiver coil) มีความไวเฉพาะกับ Magnetization vector ที่มีการเปลี่ยนแปลงเท่านั้น กลุ่ม original main magnetization ทั้งหลายตามแนวแกน z ขดลวดรับสัญญาณจะมองเป็น “stationary” Vector ซึ่งจะไม่ถูกเก็บสัญญาณ ด้วยเหตุนี้ จึงต้องมีการทำให้เกิด การเปลี่ยนแปลงของ Magnetization vector โดยการกระตุ้นด้วย RF pulse
การกระตุ้น RF pulse จะทำให้โปรตอนมีการดูดกลืน (absorption )เอาพลังงานของคลื่นวิทยุดังกล่าวไว้และเกิดการหมุนควงด้วยความถี่เดียวกันกับความถี่ของคลื่นวิทยุที่กระตุ้น หรือความถี่ Larmor การดูดกลืนพลังงานของโปรตอนจะทำให้โปรตอนนั้นเปลี่ยนสถานะพลังงานจากพลังงานต่ำ (ขนานกับ B0) ไปอยู่ในสถานะพลังงานสูง (ตรงข้าม B0) ขณะเดียวกันก็จะเกิด phase coherence ของโปรตอนอีกครั้งเนื่องจากโปรตอนพยายามจะกลับมาอยู่ในเฟสเดิมที่เคยอยู่ตั้งแต่แรก ส่งผลให้เกิดการสูญเสียสัญญาณในแนว longitudinal magnetization (Mz) ส่วน Net magnetization ในแนว transverse (Mxy)จะเพิ่มขึ้นตามลำดับ หากพูดให้เข้าใจง่ายๆ ก็คือ เป็นการผลัก Magnetization ในแนวแกน Mx ลงมาในแนว Mxy เพื่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานเพื่อให้ขดลวดสามารถตรวจวัดสัญญาณได้นั่นเอง
การกำหนดมุมในแนว transverse magnetization ขึ้นอยู่กับแอมพลิจูดหรือความเข้มของ RF pulse และระยะเวลาที่กระตุ้น เราพบว่ามุม 90° RF pulse เป็นมุมที่ทำให้โปรตอนลงมาอยู่ในแนว transverse ได้อย่างสมบูรณ์มากที่สุด
หลังจากที่ทำการกระตุ้น RF pulse ไปแล้วนั้นกลุ่มโปรตอนที่มีการดูดกลืนพลังงานและหมุนควงด้วยความถี่เดียวกับ RF pulse ที่กระตุ้นจะหาทางคายพลังงาน ( Relax) เพื่อให้กลับมาอยู่ในสภาวะสมดุลอีกครั้ง (Equilibrium) ซึ่งจะทำให้เกิดสองกลไกด้วยกันนั่นก็คือ Transverse (T2) และ Longitudinal (T1) relaxation สองกลไกนี้จะเกิดขึ้นพร้อมๆกัน แต่อัตราการเกิดของกลไกทั้งสองจะแตกต่างกัน
Transverse relaxation หมายถึงการสูญเสียพลังงานหรือ สูญเสียภาวะ phase coherence เนื่องจากเกิดปฏิกิริยาระหว่าง spinning proton ด้วยกันเอง หรือ Spin-Spin relaxation ปรากฏการณ์นี้จะทำให้ Net Magnetization ในแนว Transverse ลดลง บางครั้งก็อาจจะเรียกว่า T2 decay ซึ่งรายละเอียดผู้เขียนจะขอกล่าวถึงในบทความต่อไป
ใน T1 Relaxation กลุ่มของ resonating proton จะมีการถ่ายเทพลังงานให้กับ Nuclei อื่นๆที่อยู่รอบๆตัวมัน (Lattice) เพื่อกลับมาอยู่ในสภาวะสมดุลอีกครั้ง บางครั้งเราจะเรียกว่า Spin-Lattice relaxation ซึ่งส่งผลให้ Net magnetization ในแนว longitudinal magnetization เพิ่มขึ้น การเกิดของ T1 relaxation จะเกิดแบบ Exponential rate โดยเวลาที่ T1 หมายถึง เวลาที่ longitudinal magnetization กลับคืนตัวมาที่ 63% ก่อนจะถึงจุดสุดท้าย เราสามารถมองเห็นเนื้อเยื่อแตกต่างกันได้ในภาพ T1W เนื่องจากเนื้อเยื่อแต่ละชนิดมีค่า T1 relaxation ที่ต่างกันและนอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับประสิทธิภาพของการถ่ายเทพลังงานไปยังเนื้อเยื่อข้างเคียงด้วย เนื้อเยื่อที่มี T1 relaxation time สั้นๆ (คืนตัวเร็ว) เช่น เช่นไขมัน จะให้สัญญาณมากกว่าเนื้อเยื่อที่มี T1 Relaxation นานๆ (คืนตัวช้า) เช่น น้ำ ซึ่งให้สัญญาณค่อนข้างต่ำ
คุณลักษณะที่เฉพาะตัวระดับโมเลกุลของเนื้อเยื่อแต่ละชนิดทำให้มีค่า T1 relaxation ที่ต่างกัน กรณี่ที่แต่ละโมเลกุลในเนื้อเยื่อนั้นมีความถี่ธรรมชาติ (Natural motional frequency) ใกล้เคียงกับความถี่ Larmor มากท่าไหร่ โอกาสที่จะเกิดการถ่ายเทพลังงานให้กับโมกุลอื่นที่อยู่รอบๆมันมากขึ้นเท่านั้น ทำให้ T1 relaxation เกิดขึ้นเร็ว ซึ่งมักจะเกิดในโมเลกุลที่มีขนาดกลางๆ เช่น ไขมัน (Fat) โมเลกุลของไฮโดรเจนที่เป็นส่วนประกอบของ ไขมันจะมีความถี่ธรรมชาติที่ใกล้เคียงกับกับความถี่ Larmor ทำให้ใน Fat เกิด T1 relaxation ค่อนข้างเร็ว ส่วนโมเลกุลขนาดเล็ก (small molecule) อย่างเช่น ใน Free water ( CSF ) เคลื่อนที่ค่อนข้างเร็ว และกลุ่ม โมเลกุลขนาดใหญ่ (Macromolecule) อย่างโปรตีนที่เคลื่อนไหวค่อนข้างช้า นั้นต่างมีความถี่ธรรมชาติที่แตกต่างกันและมีความถี่ที่ต่างจากความถี่ Larmor มากกว่าเมื่อเทียบกับไขมัน ทำให้มี T1 relaxation time ที่ค่อนข้างยาวนานเหมือนๆกัน
เมื่อพูดคำว่า T1 shortening เราจะหมายถึงการทำให้เวลา T1 relaxation ของเนื้อเยื่อลดลง ซึ่งมันจะให้สัญญาณที่มีความเข้มสูงในภาพ T1W pulse sequence มากกว่าที่เราคิด ปรากฏการณ์นี้เกิดจากอิทธิพลของสาร Agent ที่ไปเหนี่ยวนำ T1 relaxivity ของ โปรตอนใน Free water โดยรอบให้มี T1 relaxation time ที่สั้นลง ซึ่งเกิดจากการที่สาร agent เหล่านี้ทำให้เกิด paramagnetic (gadolinium, manganese, methemoglobin) หรือ hydration layer (Protein, ionic calcium ) effects สาร paramagnetic agent ที่เรารู้จักมากที่สุดคงจะเป็น gadolinium chelates ซึ่งนำมาใช้เป็นสารเปรียบต่างเนื้อเยื่อ (contrast-enhanced agent)
การพิจารณา T1 Contrast และ Pulse sequence
ปกติแล้วคอนทราสของภาพเอ็มอาร์ไอนั้นไม่ได้มีการแยก T1 T2 PD ซะทีเดียว ด้วยเทคนิคการตั้งค่าพารามิเตอร์ทำให้เราได้ภาพที่มีคอนทราสของภาพที่หลากหลายปนกัน ขึ้นอยู่กับว่าจะตั้งให้คอนทราสแบบไหนมากกว่ากัน นั่นจึงเป็นเหตุผลว่าทำไมเราจึงใช้คำว่า T1,T2 และ PD weighting เมื่อพูดถึงคอนทราสในภาพเอ็มอาร์ไอ
Spin Echo
หลักการสำหรับ spin echo sequence คือ ทำการกระตุ้น 90° RF pulse ก่อนแล้วตามด้วย 180° refocusing pulse ซึ่งกระตุ้นช่วงครึ่งทางของ echo time เพื่อทำให้โปรตอนกลับมารวมเฟสกันอีกครั้ง (in phase state) พารามิเตอร์ที่มีผลต่อ T1 contrast มากที่สุดสำหรับ SE sequence นั่นก็คือ Time to Repetition (TR) ซึ่งเป็นช่วงเวลาที่จะเริ่มทำการกระตุ้นด้วย 90° RF pulse รอบใหม่ ช่วง TR ของ T1W SE sequence จะอยู่ในช่วง 400-800 msec หากเราตั้งค่า TR ยาวเกินไปจะทำให้ magnetization ของเนื้อเยื่อต่างๆคืนตัวในแนว longitudinal จนหมด ซึ่งจะทำให้ได้ SNR ที่มากขึ้นก็จริงแต่ภาพจะมีความเป็น T1 contrast น้อยลงตามไปด้วย ขณะที่การปรับพารามิเตอร์ TR นั้นจะส่งผลต่อ T1 contrast ส่วนการปรับพารามิเตอร์ Time to Echo (TE) จะส่งผลต่อ T2 contrast TE คือช่วงเวลาระหว่าง การกระตุ้น 90° RF pulse และเวลาที่จะเก็บสัญญาณ พารามิเตอร์ TE มีผลอย่างมากที่จะทำให้ความเป็น T2 contrast ลดลง หากต้องการลดความเป็น T2 contrast (T1 contrast จะเด่นชัดขึ้น) ควรตั้งค่า TE ให้น้อยที่สุดเท่าที่จะทำได้ (ประมาณ 15-25 msec) หากตั้งค่า TE มากขึ้นระดับกลางๆ จะทำให้ได้ T2 Contrast เพิ่มขึ้นมาอย่างมีนัยสำคัญ สรุปให้เข้าใจง่ายๆก็คือ TR นั้นใช้ปรับเพื่อให้ได้ T1 contrast ส่วน การปรับ TE จุดประสงค์เพื่อต้องกการลดหรือเพิ่มการเกิด contrast แบบ T2 ให้ได้มากที่สุดนั่นเอง
Gradient Recalled Echo Pulse sequence
Pulse sequence กลุ่มนี้จะกระตุ้น RF pulse ด้วยเทคนิค variable flip angle (<90°) หลังจากนั้นทำการรวมเฟส ( rephrase ) โปรตอนด้วย gradients ที่มี magnitude และ duration เหมือนๆกัน แต่มีขั้ว (polarities ) ต่างกัน ซึ่งจะต่างจาก SE ที่กระตุ้นด้วย 180° refocusing pulse เพื่อทำการรวมเฟสโปรตอน สำหรับการสแกนด้วย GRE แล้ว flip angle มีบทบาทอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลง T1 contrast การใช้ flip angle น้อยๆ จะทำให้โปรตอนคืนตัวในแนว Longitudinal อย่างรวดเร็ว TR ที่ใช้ควรน้อยกว่า 200 msec ส่วน TE จะน้อยกว่า 10msec เพื่อลดการเกิดภาพแบบ T2 contrast
ข้อดีของ GRE ที่เหนือ SE คือ
- ใช้เวลาสแกนน้อย faster scan time เนื่องจาก TR น้อยกว่า
- SAR ต่ำกว่า เนื่องจากไม่มีการใช้ 180° Refocusing pulse
ข้อเสียของ GRE
- มีการสูญเสียสัญญาณไวมากเนื่องจากจากสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอและ T2* effect เพราะ ไม่มีการกระตุ้นด้วย 180° RF pulse นั่นเอง
- SNR ต่ำกว่า SE
ผลที่ตามมาจากการใช้ TR น้อยๆ นั่นก็คือ จะหลงหลือ transverse magnetization อยู่บ้าง ก่อนที่จะเริ่มกระตุ้นรอบใหม่ หากเราปล่อยไว้ไม่ทำอะไร ก็จะทำให้ได้สัญญาณของ T2 contrast เข้ามาเกี่ยวด้วย ก่อนที่จะคืนตัวไปในแนว longitudinal ในที่สุด ด้วยเหตุนี้จึงต้องทำการกระตุ้นด้วย spoiling gradient ก่อนที่จะทำการกระตุ้นคลื่นวิทยุรอบใหม่ เพื่อทำลาย การรวมเฟสของ magnetization ในแนว transverse (Transverse magnetization steady state) แล้วปล่อยให้มันคืนตัวไปในแนว Longitudinal ถึงจะทำการกระตุ้นคลื่นวิทยุรอบใหม่ต่อไป
หากต้องการสแกนด้วยเวลาสั้นมากๆ เราจะใช้ Ultrafast GRE แทน ซึ่งใช้ TR น้อยกว่า 3 msec และใช้ flip angle น้อยมากๆ ถ้าหากเราสแกนด้วยเทคนิคนี้จะทำให้มีผลต่อ T1 contrast เป็นอย่างมาก ดังที่ได้อธิบายไว้แล้วก่อนหน้านี้ ด้วยเหตุนี้ใน Ultrafast GRE จึงมีการใช้เทคนิคเพิ่มเติม นั่นก็คือ preparatory pulse นั่นเอง โดยจะมีการกระตุ้นด้วย preparatory pulse นำร่องไปก่อน เพื่อปรับ Magnetization ให้กลับลงไปอยู่ด้านตรงข้าม ก่อนที่จะเริ่มกระตุ้นและเก็บสัญญาณภาพตามปกติ
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น