การกดสัญญาณไขมันในภาพเอ็มอาร์ไอ (Fat suppression in MRI)

Disclaimer: บทความต่างๆใน blog นี้เขียนขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์เพื่อแบ่งปันความรู้หรือข้อมูลให้กับนักรังสีเทคนิค ผู้ที่สนใจงานทางด้านเอ็มอาร์ไอเท่านั้น ข้อมูลทั้งหมดใน blog นี้ไม่สามารถนำไปใช้อ้างอิงทางการแพทย์ได้
*******************************************************************************************************

 Fat suppression เป็นคำศัพท์ กลางๆ ที่หมายถึงการกดสัญญาณไขมันในการสร้างภาพเอ็มอาร์ไอ

การทำ fat suppression ในเอ็มอาร์ไอนั้นถือเป็นเทคนิคที่มีความสำคัญและใช้เป็นประจำ โดยมีวัตถุประสงค์ ด้วยกันหลายประการ เช่น ประการแรกใช้เพื่อกดสัญญาณของเซลล์ไขมันทั่วๆไป ลดการเกิด chemical shift และเพิ่มคอนทราสของสารเปรียบต่างเนื้อเยื่อ (gadolinium)  ประการที่สองเพื่อศึกษาคุณสมบัติจำเพาะของเนื้อเยื่อ ( tissue characterization)  เช่น การประเมิน tumor บริเวณต่อมหมวกไต  bone marrow infiltration  fatty tumors และ Liver steatosis    ซึ่งเทคนิคในการทำ fat suppression  นั้นมีอยู่ด้วยกันหลายเทคนิคซึ่งแต่ละเทคนิคต่างก็มีข้อดีข้อเสียแตกต่างกันไป นักรังสีเทคนิคซึ่งเป็นผู้ที่ใช้เทคนิคดังกล่าวกับผู้ป่วยเพื่อสร้างภาพเอ็มอาร์ไอจะต้องมีความรู้เข้าใจในหลักการเลือกใช้เทคนิคที่เหมาะสมและรู้ถึงผลดีผลเสียของการใช้เทคนิค fat suppression ดังกล่าวได้เป็นอย่างดี

โดยทั่วไป fat suppression สามารถแบ่งออกได้เป็นสองกลุ่มใหญ่ๆได้แก่

    แผนผัง ที่ 1 แสดงกายแยกหมวดหมู่ของเทคนิค fat suppression ใน MRI ที่นิยมใช้ในปัจจุบัน



1. แบบที่ต้องกำหนดค่า  Relaxing time ได้แก่ เทคนิค STIR หรือ TIRM  เทคนิคนี้ต้องกำหนดค่า Inversion Recovery หรือ ค่า TI ในช่วงเวลาที่สัญญาณไขมันคืนตัวมาจนถึง null point โดยปกติจะอยู่ในช่วง 130-170 ms   (1.5T)

Inversion Recovery  :  Short TI  Inversion Recovery  (STIR)  หรือ  Turbo Inversion Recovery Magnitude (TIRM) เทคนิคนี้อาศัยค่า relaxation ของเนื้อเยื่อที่แตกต่างกันซึ่งโดยปกติ Fat จะคืนตัวเร็วกว่าเนื้อเยื่อชนิดอื่นๆ (  very short relaxing  time)  การทำงานของ pulse sequence นี้ ก่อนที่จะมีการกระตุ้นด้วย Exciting  90⁰ RF   และ Refocusing 180⁰ RF    แบบปกติ  ตัว inversion pulse (flip angle 180⁰)

จะถูกกระตุ้นนำหน้าไปก่อนเพื่อทำการ invert magnetization ของเนื้อเยื่อต่างๆ ทั้ง fat และ water molecules หลังจากนั้น รอเวลาที่ magnetization ของ fat จะคืนตัวกลับมาที่ null point คือจุดที่ fat จะไม่ให้สัญญาณ โดยอาศัยหลักการคืนตัวแบบ  T1 Relaxation  ซึ่งเราเรียกระยะเวลาช่วงดังกล่าวว่า  Time of Inversion (TI)

                    รูปที่ 1 แสดงการกระตุ้นด้วย Inversion pulse เพื่อทำการ invert magnetizations และ                       การเลือกค่า TI ในช่วงการคืนตัวของ fat เพื่อทำการกระตุ้น  Excitation RF pulse ภาพที่                    ได้จะได้เฉพาะสัญญาณของ tissue 1 และ fluid   

                    ที่มา: http://www.revisemri.com/questions/pulse_sequences/stir

ภาพ STIR ที่ได้จะมีคอนทราสตรงข้ามกับภาพ  T1W  แบบปกติ เนื้อเยื่อที่มีคุณสมบัติ Long T1 relaxation time จะให้สัญญาณสูงกว่า (ขาวกกว่า) ภาพที่มี Short T1 relaxation time

การประยุต์ใช้งาน

•     T1 TIRM: การตั้งค่า TE ใน T1 TIRM  จะตั้งค่า TE ไม่ยาวมาก (Short TE)  และนิยมใช้ในกาตรวจ ระบบกระดูก กล้ามเนื้อและข้อเมื่อทำการกดสัญญาณไขมันจะทำให้คอนทราสของ ligament, tendon และ     cartilage ดีขึ้นและภาพไม่ดำมากจนเกินไปจากการกดสัญญาณไขมัน (Weak fat sat)
•     T2 TIRM : ค่า TE จะยาวกว่าแบบแรก ทำให้เห็นคอนทราส bone enema , metastasis และ Cystic lesion  ได้ดีมากขึ้นจึงนิยมใช้ในการตรวจ Spine  Breast และ whole body เพื่อหาการแพร่กระจายของเซลล์มะเร็ง  แต่ภาพ T2 TIRM การกดสัญญาณไขมันจะแรงกว่าแบบแรก (ภาพดำกว่า)

                รูปที่ 2 เปรียบภาพ T2W  LS pine ใน  sagittal plane ทั้งแบบไม่ FS และ แบบ FS ด้วยเทคนิค STIR

2. แบบที่อาศัยคุณสมบัติ chemical shift  ในเนื้อเยื่อ  ได้แก่เทคนิค spectral Fat sat, Water Excitation (WE), SPAIR หรือ SPIR และ Dixon

          2.1 Spectral FS  เทคนิคนี้อาศัยการเกิด chemical shift ที่เกิดจากความต่างของ  resonance frequency ระหว่าง Fat - and water boundary protons ปกติจะต่างกันประมาณ 3.4 ppm.   การทำงานของเทคนิคนี้คือ มีการกระตุ้น  Narrow band frequency selective Radio-frequency pulse ในย่านความถี่เดียวกับ fat-bound proton หลังจากนั้น transverse magnetization ของ fat-bound protons จะถูกทำลายเฟส (dephasing ) ด้วย  spoiler gradient  ทำให้ภาพที่ได้ไม่มีสัญญาณของ fat ทั้งนี้ทั้งนั้นขึ้นอยู่กับการ shim ของสนามแม่เหล็กด้วย

รูปที่ 3 แสดงการกระตุ้น Narrow band frequency selective Radio-frequency pulse

 และการใช้ spoiler gradient เพื่อทำลายสัญญาณของ fat 

การกดสัญญาณไขมันด้วยวิธีนี้จะมี quick fat sat mode ด้วยเพื่อไม่ให้สแกนนานเกินไป Q-FS  จะไม่กระตุ้น  preparation pulse ในทุก slice  ส่งผลให้สามารถตั้งค่า TR ต่ำๆได้ และใช้กับ VIBE sequence ที่ต้องการการกลั้นใจรอบเดียวแต่เก็บภาพได้ทั้งปริมาตร  (ประมาณ 40 line/shot)

Spectral FS มีทั้งแบบ Strong และ weak mode ให้เลือกใช้  สำหรับ strong mode การกดสัญญาณ fat จะสมบูรณ์มากกว่าแบบ weak แต่การกดสัญญาณ weak mode จะช่วยให้เห็นรายละเอียดของ fatty tissue ได้ด้วย 

สำหรับการใช้ spectral FS ในบริเวณ Abdomen   spectral FS ใน T2 สามารถใช้ได้ทั้งใน TSE, Single shot TSE (HASTE) และ SPACE, CUBE , ส่วน T1W จะใช้ Q-FS ใน Spoiled Gradient 2D/3D 

    รูปที่ 4 เปรียบเทียบภาพ T2W ของ C spine ในแนว Sagittal plane ทั้งก่อนและหลังการทำ FS แบบ spectral FS ทั่วไป พบว่า spectral FS ยังมีข้อจำกัดใน irregular shape of anatomy  ทำให้กดสัญญาฯ Fat ไม่ลง เช่นบริเวณ neck เป็นต้น เนื่องการ shimming บริเวณนี้ยังไม่ดีพอ

           2.2  Spectrally Adiabatic  Inversion Recovery (SPAIR)

           เทคนิคนี้เป็นการผสมผสานกันระหว่า Inversion Recovery Technique และ conventional spectal fast saturation  โดยเริ่มกระตุ้น  spectrally selective diabatic inversion  pulse

 นำหน้าไปก่อนเพื่อทำการ invert เฉพาะ magnetization  ของ fat  หลังจากนั้นใช้ ใช้ spoiler gradient เพื่อทำลายเฟสของ fat อีกชั้นหนึ่ง  เมื่อ magnetization ของ fat คืนตัวแบบ longitudinal relaxation มายังจุด null point จึงเริ่มกระตุ้นคลื่นวิทยุ (Excitation- RF pulse ) เพื่อเริ่มเก็บสัญญาณภาพ

รูปที่ 5 แสดงรูแแบบการทำงานของเทคนิค SPAIR เพื่อใช้กดสัญญาณไขมันโดยมีการใช้ selective IR Pulse ร่วมกับ หลักการ chemical shift ระหว่า Fat และ water boundary protons.

SPAIR สามารถเลือกได้ทั้ง Strong และ weak mode เหมือน spectral FS  แต่ weak mode ใน SPAIR มักใช้กับการตรวจทาง MSK 

รูปที่ 6 เปรีบเทียบการใช้ SPAIR กับ conventioanl spectral FS ใน Dynamic contrast enhancement ใน  breast imaging สังเกตุว่า SPAIR จะกดสัญญาณ fat ได้ดีกว่า ในบางอวัยวะ 

          2.3  Dixon Technique

              เทคนิคการกดสัญญาณ fat นี้อาศัยหลักการเกิด chemical shift เช่นเดียวกัน เพียงแต่อาศัยหลักการคำนวณด้วยคอมพิวเตอร์เข้ามาช่วยโดยอาศัยข้อมูลจากภาพ In-phase และ Opposed phase  เทคนิคนี้ใช้ได้กับ TSE และ 3D-spoiling gradient หรือ VIBE sequences. เนื่อง dixon มีผลต่อ scantime ดังนั้นจึงใช้ร่วมกับ parallel imaging technique และ Partial Fourier ทั้งในแนว slice read และ phase เพื่อลด scan time.

เมื่อทำการสแกนด้วย Dixon ผู้ใช้งานจะได้ชุดข้อมูลพร้อมกันสี่ชุด ได่แก่

   - ภาพ In-phase

   - ภาพ Opposed phase

   - ภาพ Fat excitation

  - ภาพ Water Excitation

ซึ่งได้มาจากสมการดังนี้

เมื่อภาพ In phase = F+W
Opposed phase     = F-W

1/2 (IP+OP) = 1/2 ((F+W) + (F-W) ) = F >> ได้ภาพ Fat excitation
1/2 (IP-OP)  = 1/2 ((F+W) -  (F-W))  =W >> ได้ภาพ Water Excitation หรือภาพ FS นั่นเอง

รูปที่  7 แสดงภาพ MRI Liver ที่ได้จากการสแกนด้วย Dixon technique ซึ่งให้ภาพำร้อมกันทั้งสี่ชุด และภาพ Water excitation ถูกใช้เพื่อกดสัญาณ Fat หรือหรือหาสัดส่วนของ fat ใน Liver

รูปที่ 7 แสดงภาพเปรียบเทียบ T2W TSE ของ  neck ทั้งก่อนและหลังทำ FS ก้วยเทคนิค Dixon ซึ่งพบว่า Dixon สามารถกด fat signal บริเวณ neck ได้ดี

                 

ตารางสรุปข้อดีข้อเสียของเทคนิค FS แบบต่างๆ

                               **************************************************