หลักการพื้นฐานของการเกิด spin และ T2 relaxation
หลังจากที่เราทำการกระตุ้นโปรตอนด้วยคลื่นวิทยุจะทำให้ Net magnetization ถูกผลักลงมาอยู่ในแนว Transverse หลังจากนั้นมันจะค่อยๆสูญเสียสภาวะ Phase Coherence ดังที่ได้อธิบายในบทความก่อนหน้าไปแล้วว่า Phase Coherence ก็คือการที่ Magnetization ของโปรตอนแต่ละตัวมันพยายามกลับมาอยู่ในเฟสเดิม หรือเฟสเดียวกัน แล้วภาวะนี้เกิดขึ้นตอนไหน ก็เกิดต่อเนื่องหลังจากที่กระตุ้น RF pulse แบบทันที
การสูญเสียสภาวะ Phase coherence นี้ ทำให้ Magnetization ของโปรตอนแต่ละตัวเริ่มหักล้างกันเอง เพราะเฟสไม่เหมือนกัน (spin-spin interaction) การหักล้างกันนี่เองทำให้สัญญาณในแนวนี้ค่อยๆลดลง เราจึงเรียกการสูญเสียสัญญาณในแนวนี้ว่า T2 หรือ Transverse relaxation หรือ T2 decay ในขณะเดียวกัน Magnetizations ก็จะพยายามกลับคืนในแนวแกน Longitudinal ด้วย (recovery) แต่ผู้เขียนขอไม่กล่าวถึงสภาวะนี้อีกเนื่องจากได้กล่าวไปแล้วในบทความก่อนๆ ประเด็นที่อยากเน้นย้ำในบทความนี้ก็คือ การที่สัญญาณในแนว Transverse magnetization ลดลงเป็นเพราะ เฟสที่เปลี่ยนไปของโปรตอนแต่ละตัว ทำให้เกิดการหักล้างกันเอง แต่ทั้งนี้ทั้งนั้นไม่ได้หมายความว่ามันสูญเสีย Magnetization แต่อย่างใด
สาเหตุที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเฟส (phase dispersion) ไปในโปรตอนแต่ละตัวนั้นเป็นเพราะเกิดความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กในตัวมันเองด้วย อย่าลืมว่าการที่โปรตอนแต่ละตัวมันมีการหมุนควงและหมุนรอบตัวเองด้วย จะเกิดสนามแม่เหล็กรอบตัวมันเอง (Magnetic momentum) และทำให้เกิดความแตกต่างของสนามแม่เหล็กรอบๆโปรตอนแต่ละตัว (magnetic micro environment) เป็นเหตุให้โปรตอนแต่ละตัวหมุนควงด้วยความถี่ที่ต่างกันเล็กน้อย (ระดับ Hz) สาเหตุที่ทำให้สนามแม่เหล็กของมันไม่สม่ำเสมอหรือต่างกัน มาจาก ความไม่สม่ำเสมอของ สนามแม่เหล็กหลัก B0 ซึ่งถือเป็น External magnetic field ( T2' ) และเกิดจากการทำอันตรกิริยาระหว่างโปรตอนที่อยู่ไกล้ๆกัน (T2) ด้วย การสูญเสียสัญญาณทั้งสองสาเหตุอาจเรียกรวมๆ กันว่า T2* decay ความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กหลัก B0 ถือเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิด dephasing effect ซึ่งจะทำให้เกิดผลแบบ T2* มากกว่า T2
การเกิด T2* effect เกิดจากสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอไม่ได้เกิดจากตัวผู้ป่วย ทำให้มันให้ข้อมูลเกี่ยวกับผู้ป่วยหรือเนื้อเยื่อได้ค่อนข้างน้อย แต่ยังโชคดีที่การสูญเสียสภาวะ phase coherence ที่เกิดจากความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เหล็กหลัก เรายังสามารถทำให้ภาวะนี้กลับคืนมาได้ใหม่โดยใช้ 1800 refocusing pulse ซึ่งใช้ในเทคนิค Spin Echo แต่การสูญเสียสัญญาณจาก T2 effect (spin-spin) เราไม่สามารถเอากลับคืนมาได้แต่มันจะให้ข้อมูลเกี่ยวกับ microenvironment ของโปรตอนเพื่อบอกลักษณะเฉพาะของเนื้อเยื่อ ( tissue characterization) ได้ดีเนื่องจากแต่ละเนื้อเยื่อจะเกิด spin-spin relaxation ด้วยอัตราที่ต่างกันนั่นเอง
หลักการเกิด T2* หลังจากที่เราทำการกระตุ้นให้ magnetization มันลงมาที่แนว transverse แล้ว สักพักมันจะหมุนกลับไปอยู่ในแนวแกน z เหมือนเดิม ด้วยความถี่ Larmor ทำให้เราได้สัญญาณแบบ Sinusoidal wave โดยจะให้สัญญาณสุงสุดเมื่อ vector ชี้ไปทาง Detector (coil) และจะลดลงเมื่อ vector ชี้ไป 1800 ออกจาก Detector (coil) หลังจากที่ หยุดการกระตุ้น RF สัญญาณจะลดลงเรื่อยๆเนื่องจากเฟสจะเริ่มมีการเปลี่ยนแปลง (phase dispersion) เราจะเรียกรูปแบบสัญญญาณคลื่นแบบนี้ว่า Free induction Decay (FID) ซึ่งเป็นสัญญาณ MRI ที่ตรวจวัดได้ การสูญเสียสัญญาณจะเกิดแบบ Exponential อย่างรวดเร็ว ตามอัตราการเกิด T2*
รูปที่1 สัญญาณ T2* หรือ Free Induction Decay (ที่มา: http://www.revisemri.com/images/fidt2t2star.gif)
จากรูป FID wave form เป็นผลจากการลดลงของ Magnetization และสัญญาณจากการหมุนทั้ง 3600
T2 relaxation time ขึ้นอยู่กับสภาพแวดล้อมรอบๆโปรตอนนั้นและอัตราการเกิดอันตรกิริยาระหว่างกัน (spin-spin interaction) โดยปกติแล้ว สนามแม่เหล็กของโปรตรอนเอง (local magnetic microenvironment ) ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงตลอดเวลา ไม่คงที่ จะมีอิทธิพลต่อโมเลกุลต่างๆ เช่น กลุ่มที่มีโมเลกุลขนาดใหญ่ค่อนข้างจะมีการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กอย่างช้าๆ (เคลื่อนไหวช้า) ดังนั้นเมื่อต้องเจอกับการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กหลัก B0 มากเท่าไหร่ก็จะทำให้บางพื้นที่ของเนื้อเยื่อ มี local magnetic field ที่เข้ม บางพื้นที่อ่อน เพราะในสภาวะความเป็นจริงความเข้มของสนามแม่เหล็กมีการแกว่ง (fluctuate) อยู่ตลอดเวลา ทั้งสนามแม่เหล็กหลักและ local magnetic field ทำให้โปรตอนแต่ละจุดในเนื้อเยื่อหมุนควงด้วยความถี่ที่ต่างกันเป็นผลให้เกิด dephasing effect เร็ว ส่วนโมเลกุลขนาดเล็กๆ อย่างน้ำ (free water) มีการเคลื่นที่ไปมาค่อนข้างเร็ว มีโอกาสที่โมเลกุลของน้ำจะต้องเผชิญทั้งส่วน local magnetic field ที่เข้มหรืออ่อน เฉลี่ยๆกันไป พูดให้เข้าใจง่ายๆก็คือ ไม่ค่อยมีความแตกต่างของ Local magnetic field ของโปรตอนแต่ละตัวมากนัก ดังนั้นมันก็จะหมุนควงด้วยความถี่พอๆกัน ทำให้มันเกิดภาวะ phase dispersion ค่อนข้างช้า เวลาที่เฟสจะหักล้างกันก็จะนานกว่าโมเลกุลขนาดใหญ่ หรือมี T2 relaxation time นานกว่านั่นเอง
ใน T2 จะต่างจาก T1 เนื่องจากความเข้มของสนามแม่เหล็กหลักไม่ค่อยมีอิทธิพลต่อ T2 relaxation time เท่าไหร่นัก T2 relaxation time ของเนื้อเยื่อในร่างกายจะอยู่ในช่วง 30-60 msec ใน CSF ซึ่งมี free water อยู่ที่ 1000msec ผู้อ่านสามารถสังเกตได้จาก protocol ของ myelogram จะมี TE ค่อนข้างยาวประมาณ 700-1000 msec หรือมากกว่า ภาพ T2W มักใช้เพื่อดูพยาธิสภาพอย่างที่ผู้อ่านทราบกันดีอยู่แล้ว เพราะพยาธิสภาพส่วนใหญ่จะมีส่วนประกอบโมเลกุลของน้ำ เช่น tumor, inflammation ซึ่งจะมองเห็นเป็น hyper signal intensity เมื่อเทียบกับ เนื้อเยื่อปกติที่จะให้สัญญาณแบบ isointense signal
T2 contrast และ Pulse sequence
ปกติ sequence ที่ใช้แสกนเพื่อดูภาพ T2W นั้นจะใช้ Spin Echo (Fast spin echo หรือ turbo spin echo จัดอยู่ใน family เดียวกับ spin Echo sequence) และ gradient recalled echo (GRE) sequence ภาพที่ให้ T2 W จริงๆ จะต้องสแกนด้วย Spin echo เท่านั้น ส่วน Gre จะให้ภาพแบบ T2* WI
Spin Echo
หลังจากที่เรากระตุ้น ด้วย 900 RF pulse แล้ว Magnetization จะถูกผลักลงมาอยู่ในแนว Transverse หลังจากนั้นจะกระตุ้นตามด้วย 1800 Refocusing pulse เพื่อทำการ realign หรือจัดเรียงเฟสของโปรตอนอีกครั้ง เพราะหลังจากที่หยุดกระตุ้นด้วย 900 RF pulse โปรตอนจะเริ่มเกิด dephase ทันที ต่อมาเมื่อเรากระตุ้นด้วย 1800 Refocusing pulse จะเป็นการกลับทิศของการหมุนควงของโปรตอน แทนที่จะหมุนไปตามเข็มนาฬิกา มันจะหมุนทวนเข็มนาฬิกา หรือในทางกลับกันกลุ่มที่กำลังหมุนทวนเข็มจะกลับเปลี่ยนทิศมาหมุนตามเข็มนาฬิกาแทน ให้ลองจินตนาการว่าลูกข่างกำลังหมุนควงหรือส่ายเป็นวงกลมไปรอบๆแกน Z ในทิศตามเข็มนาฬิกา แต่เมื่อเรากระตุ้นด้วย refocusing pulse จะทำให้เกิดการกลับทิศการหมุนมาเป็นทวนเข็มนาฬิกาแทน ทำให้กลุ่มโปรตอนที่หมุนควงด้วยความเร็วและนำหน้าไปก่อนกลับมารวมเฟสกลับกลุ่มที่หมุนควงด้วยความถี่ช้าๆ ได้ทันเวลา ทำให้เราได้สัญญาณกลับมาอีกครั้งก่อนที่มันจะสูญเสียสัญญาณไปจนหมดกลังจากกระตุ้นด้วย 900 RF pulse ดังแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 แสดงผลของการกระตุ้นด้วย 1800 Refocusing pulse
(ที่มา: http://users.fmrib.ox.ac.uk/~stuart/thesis/chapter_2/image333.gif)
จากรูปที่ 2 หลังจากกิด phase coherence แบบทันทีทันใด เมื่อผลักให้ magnetization ลงมาแนว transverse ด้วย 900 RF pulse แล้วต่อมาจะเริ่มเกิด Phase dispersion หรือ เริ่ม dephase สัญญาณจะค่อยๆลดลงเรื่อยๆ การเกิดปรากฏการณ์นี้ก็เนื่องจากสนามแม่เหล็กไม่สม่ำเสมอและจะให้สัญญาณ FID หรือ T2* นั่นเอง แต่เราไม่ต้องการให้เกิดปรากฏการณ์นี้เพียงอย่างเดียว ไม่อย่างนั้นจะเกิดการสูญเสียสัญญาณเกิดขึ้นจนหมด ด้วยเหตุนี้จึงมีการกระตุ้นด้วย 1800 Refocusing pulse เพื่อทำให้เกิดการรวมเฟสอีกครั้งโดยการกลับทิศการหมุนควงดังที่ได้อธิบายไปแล้ว ผลที่เกิดขึ้นเราจะได้สัญญาณกลับคืนมาอีกรอบก่อนที่มันจะค่อยเกิด dephasing แล้วสูญเสียสัญญาณอีกครั้ง
รูปที่ 3 แสดงการกลับมาของสัญญาณ Echo
(ที่มา: http://oftankonyv.reak.bme.hu/tiki-download_file.php?fileId=3173&display)
สาเหตุการเกิด phase dispersion เนื่องจากการแกว่งของสนามแม่เหล็กในระดับ microscopic ซึ่งจะส่งผลต่อสนามแม่เหล็กของโปรตอนแต่ละตัว (local molecule) และทำให้เกิด T2 Relaxation ที่ต่างกันของแต่ละโมเลกุล
สำหรับ SE pulse sequence พารามิเตอร์ที่ส่งผลต่อ weighting ของภาพ ไม่ว่าจะเป็น T1,T2,PD ได้แก่ TR และ TE การกำหนด TR สั้นๆจะทำให้โปรตอนที่คืนตัวเร็วให้สัญญาณมากกว่าตัวอื่นๆที่คืนตัวช้า ซึ่งจะเกิดภาพแบบ T1W ขณะเดียวกันหากเราตั้ง TR ยาวๆ จะทำให้เนื้อเยื่อทั้งที่คืนตัวเร็วและช้า คืนตัวในแนวแกน Longitudinal axis จนหมดและจะไม่ส่งผลกระทบต่อ final signal
TE เป็นช่วงเวลาระหว่างการกระตุ้นด้วย 900 RF pulse และ เวลาที่เก็บสัญญาณ Echo และตามที่ผู้เขียนได้กล่าวไปแล้วว่าใน SE จะมีการกระตุ้นด้วย refocusing pulse เพื่อทำการจัดเรียง Magnetization ที่กำลังเกิด dephase ขึ้นให้กลับมารวมเฟสกันอีกครั้ง เพื่อจะได้สัญญาณกลับคืนมาจากสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ เพื่อให้ได้สัญญาณมากที่สุดจึงต้องกระตุ้น 1800 RF pulse ที่กึ่งกลาง ระหว่าง 900 RF pulse และ เวลาที่เก็บสัญญาณ Echo หรือพูดให้เข้าใจง่ายๆก็คือ กึ่งกลางของค่า TE นั่นเอง ซึ่งจะทำให้เราได้สัญญาณมากที่สุดเมื่อถึงเวลาที่ต้องเก็บสัญญาณ นอกจากการสูญเสียสัญญาณจะเกิดจากความไม่สม่ำเสมอของสนามแม่เห็ล็กหลักแล้ว ยังสูญเสียสัญญาณจาก T2 Relaxation ภายในเนื้อเยื่อเองด้วย ดังที่ได้อธิบายไปแล้ว เรื่อง spin-spin relaxation การตั้งค่า TE ระดับกลางๆ ขึ้นไป จะทำให้เนื้อเยื่อกลุ่มที่มีค่า T2 relaxation time สั้นๆ สูญเสียสัญญาณไปจนหมดเราจะมองเห็นสัญญาณเป็น hypo signal intensity ในภาพ T2 ขณะที่เนื้อเยื่อกลุ่มที่มี T2 relaxation time นานๆ จะ.ให้สัญญาณภาพแบบ Hyper signal intensity แต่ถ้าเราตั้ง TE สั้นมากๆ จนเกินไป จะทำให้โปรตอนไม่มีเวลาเพียงพอที่จะเกิด T2 decay และจะไม่มีเนื้อเยือใดที่เกิด Transverse decay ดังนั้นจึงไม่เห็นคอนทราสระหว่างเนื้อเยื่อเหล่านั้น
การปรับค่าพารามิเตอร์ TR และ TE ให้อยู่ในช่วงที่จะให้สัญญาณมากที่สุดขึ้นอยู่กับคุณสมบัติ T1 หรือ T2 relaxation ของเนื้อเยื่อ โดยการปรับพารามิเตอร์ให้ได้คอนทราสแบบใดแบบหนึ่งตามที่ต้องการ หรือเรียกว่า Weighting นั่นเอง ใน T2W เราพยายามจะกำจัดสัญญาณที่ได้จาก T1 relaxation โดยการ ตั้งค่า TR ยาวๆ และเพิ่มสัญญาณของ T2 โดยการตั้งค่า TE ให้มากขึ้นระดับ Intermediate จนถึง Long TE สำหรับ T2 ควรตั้ง TR มากกว่า 2000 msec และ TE ประมาณ 80-100 msec
Gradient Recalled Echo
สำหรับ Gre เราจะมีการกระตุ้น RF pulse เพียงครั้งเดียว โดยไม่มีการกระุตุ้น 1800 RF pulse เหมือนกับ Spin Echo ทำให้เมื่อเกิด phase dispersion ของ Magnetizations จากสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ หรือ T2* effect เราจึงไม่สามารถทำการแก้ไขได้ ทำให้เกิดภาวะสูญเสียสัญญาณอย่างรวดเร็วและจะไม่ให้ข้อมูลคุณสมบัติของ Relaxation ของเนื้อเยื่อที่ถูกสร้างภาพ ในการสร้างภาพ แบบ T2* contrast จะให้ Flip angle น้อย เนื่องจาก เมือทำการ ผลัก Magnitization ลงมาตามแนว Transverse ภายในจังหวะนั้นเอง Magnitization จะยังเกิดภาวะ phase coherence คือให้สัญญาณในแนว Transverse แต่เนื่องจากมุมของมันค่อนข้างน้อยทำให้มันคืนตัวในแนว Longitudinal ไปพร้อมๆกันเป็นผลให้ความแต่ต่างของเนื่อเยื่อในแนว Longitudinal หรือ T1 ลดลงนั่นเอง ซึ่งจะต่างจาก T1 Gre ที่ใช้ flip angle มากๆ เพื่ออาศัยจังหวะการคืนตัวของเนื้อเยื่อแต่ละตัวแตกต่างกันในแนว Longitudinal ทำให้เกิดคอนทราสแบบ T1
รูปที่ 4 เปรียบเทียบ FA น้อยๆ T2*W และ FA มากๆ T1
(ที่มา: https://encrypted-tbn0.gstatic.com/imagesq=tbn:ANd9GcTPdIVF_ptv9ax0aqOFy8m9TVPWwf0uEcRDJBcsOiF79NqsZjKZ)
i
รูปที่ 5 แสดงภาพ T2*W และ T1W แบบ Spoiling gradient
FLASH (Siemens), GPGR (GE), FFE (Philips)
ปัจจจุบันเราจะใช้ Steady-state GRE sequence (Trufisp (Siemens), Fiesta (GE), b-FFE (Philips)) เพื่อใช้สร้างภาพให้ได้คอนทราสแบบ T2 มากขึ้นไม่ใช่ T2* ในการสร้างภาพ Steady-state นั้น ทั้ง Transverse และ Longitudinal magnetization จะเข้าสู่ภาวะ steady state ซึ่งจะต่างจาก ภาพแบบ Spoiling gradient (flash) ที่สัญญาณตามแนว Transverse ที่ได้ จะใช้ Spoiler gradient มาช่วย ก่อนที่จะทำการกระตุ้น RF รอบใหม่ คงจะไม่สับสนกับ T1 flash นะครับที่ใช้ Spoiler gradient มาทำลายการรวมเฟสตามแนว Transverse ซึ่งจะตรงข้ามกับ T2 flash ที่ ใช้เพื่อรวมเฟสเพื่อให้สัญญาณของ T2 อย่างไรก็ตามในการสร้างภาพแบบ Steady state จะมีสัญญาณที่หลงเหลือในแนว Transverse ตามหลัง Longitudinal magnetization ทำให้ ได้ Signal to Noise Ratio (SNR) มากกว่าเมื่อเทียบกับ เทคนิคแบบ Spoiling gradient การหลงเหลือของ Transverse magnetization ขึ้นอยู่กับ T2 time ของเนื้อเยื่อด้วย กลุ่มที่มี T2 relaxation time นานกว่าจะหลงเหลือ transverse magnetization มากกว่าหลังจากเกิด longitudinal magnetization แล้ว ส่วนกลุ่มโมเลกุลที่มี T1 time สั้นๆ จะคืนตัวในแนว Longitudinal magnetization มากกว่า เพื่อรอกระตุ้นในรอบถัดไป ด้วยเหตุนี้ ภาพแบบ Steady state จึงให้คอนทราส แบบ T2/T1 Weighted หรืออาจกล่าวได้ว่า กลุ่มที่มี T2 time ยาว เช่น น้ำ และ กลุ่มที่มี T1 time สั้นอย่าง fat จะให้สัญญาณที่เป็นสีขาวในภาพ ส่วนใหญ่เราจะใช้ sequence เหล่านี้ใน Cardiac MRI (bright blood technique) และบริเวณ base of skull อย่างเช่น IAC เป็นต้น
รูปที่ 6 เปรียบเทียบคุณภาพของภาพ T2W ที่ได้จาก FLASH และ Steady state sequence
จากรูปที่ 6 จะเห็นว่า steady state sequence ให้ contrast ของภาพแบบ T2 ได้ดีกว่าเนื่องจากมีสัญญาณทั้งจากแนว Transverse magnetization และ Longitudinal magnetization ดังที่ได้อธิบายไปแล้ว
ไม่มีความคิดเห็น:
แสดงความคิดเห็น