Principios Básicos de la IRM

Capítulo 12

Técnicas para la Adquisición Rápida de Imágenes



Introducción

En el diagnóstico médico por imágenes que utiliza costosos equipamientos, tales como la IRM, la rapidez del diagnóstico puede significar la vida o la muerte y el tiempo es dinero. En estos aspectos, cuanto más rápido es mejor pero en general la calidad de la imagen está inversamente relacionada a la velocidad de adquisición de la imagen. Se han desarrollado varias estrategias para mejorar la velocidad de adquisición y algunas se presentan a continuación

Adquisición Gradiente-Eco

Las secuencias mencionadas hasta ahora presentan una importante desventaja. Para obtener la máxima señal, todas requieren que la magnetización transversal retorne a su posición de equilibrio a lo largo del eje Z antes de repetir la secuencia. Cuando el T1 es largo, esto puede alargar significativamente la secuencia. Si la magnetización no retorna al equilibrio, la señal es menor que cuando la recuperación es total. Si la magnetización rota un ángulo menor que 90º, su componente Mz retornará al equilibrio mucho más rápido, pero habrá menos señal ya que la señal será proporcional al Sen?. Por lo tanto, negociamos señal por tiempo de adquisición. En algunos casos, se pueden obtener varias imágenes y promediarlas para compensar la pérdida de señal.

TLa secuencia gradiente-eco es la aplicación de estos principios. A continuación vemos el diagrama temporal En la secuencia gradiente-eco, se aplica un pulso de RF de selección de corte al objeto a representar Este pulso RF produce generalmente un ángulo de rotación de entre 10º y 90º. Un gradiente de selección de corte se aplica conjuntamente con el pulso RF.

Luego se aplica un gradiente de codificación de fase El gradiente de codificación de fase varía entre G m y -G m en 128 o 256 idénticos pasos, como se realiza en todas las secuencias

Un gradiente de desfase para codificación de la frecuencia se aplica en el mismo momento que el gradiente de codificación de fase para que los espines se encuentren en fase en la mitad del período de adquisición Este gradiente es negativo en signo e inverso al gradiente codificador de la frecuencia que se enciende durante la adquisición de la señal. Se produce un eco al encender el gradiente de codificación de la frecuencia porque este gradiente realinea el desfase que ocurre con el gradiente desfasador. Este tipo de eco se denomina gradiente-eco.

El período denomina tiempo de eco (TE) se define como el tiempo entre el inicio del pulso de RF y el máximo de la señal. La secuencia se repite para cada TR. El período TR puede ser tan corto como diez milisegundos.

Puede ser útil ahora hacer hincapié en las diferencias entre la secuencia gradiente-eco y la espín-eco. En una gradiente eco, el gradiente se utiliza en vez del pulso de RF de 180º para poner en fase a los espines. La adquisición con una gradiente-eco es intrínsecamente más sensible a las inhomogeneidades del campo magnético por el uso del gradiente de refase. La utilización de un ángulo pequeño de rotación y de un gradiente para alinear los vectores de magnetización otorga a esta secuencia una ventaja en tiempo. Por lo tanto es ampliamente utilizada para adquirir imágenes rápidas, incluso para adquisición 3D.

Adquisición mediante Nex y Eco fraccionado

Existen varias técnicas que se pueden utilizar para acortar el tiempo de adquisición de la imagen sin acortar el TR. Dos técnicas, la adquisición mediante Nex fraccionado y la adquisición mediante eco fraccionado se explican en esta sección, mientras que otras se presentarán en secciones subsiguientes de este capítulo. Antes de poder comprender la adquisición mediante Nex fraccionado o eco fraccionado, primero es necesario examinar la relación entre los datos de las diferentes mitades del espacio-k .

Los datos del espacio-k corresponden a datos complejos que representan las componentes Mx y My de la magnetización. Los datos complejos de la mitad derecha del espacio-k son los conjugados de los datos complejos de la mitad izquierda del espacio-k. En forma similar, los datos de la mitad superior del espacio-k son los conjugados de los datos complejos de la mitad inferior del espacio-k.

Adquisición mediante Nex fraccionado

La adquisición mediante Nex fraccionado aprovecha esta relación de conjugado de un complejo entre la mitad superior y la inferior del espacio-k para reducir el número de pasos de codificación de fase. En una imagen con medio Nex, solo se registran los pasos de codificación de fase -8 hasta +128 de una matriz de +128 a -128. Los pasos -128 hasta el -8 se generan de la relación de conjugado de un complejo entre las mitades del espacio-k. Los pasos de codificación de fase -8 hasta el 0 se registran para asegurar que el centro del espacio-k esté en 0 y para que haya una transición suave entre las mitades. Las secuencias de adquisición mediante Nex fraccionado utilizan valores entre Nex=1 y Nex=1/2. Como se obtienen menos datos en la adquisición mediante Nex fraccionado, la relación señal/ruido empeora a medida que disminuye el Nex. La ventaja de la adquisición mediante Nex fraccionado es que la imagen se puede obtener más rápido que con Nex=1 pero con el mismo contraste entre los tejidos que en el caso de Nex=1.

Adquisición mediante Eco fraccionado

La adquisición mediante eco fraccionado es similar a la adquisición mediante Nex fraccionado en cuanto a que se utiliza la relación de conjugado de un complejo entre las mitades izquierda y derecha del espacio-k para acortar el tiempo de eco de una adquisición. Como no es necesario registrar el eco en su totalidad, el valor mínimo de TE disminuye y se puede lograr mayor señal. En algunos casos, se pueden obtener tiempos más cortos de adquisición.

Adquisición Espín-Eco Rápida

Una secuencia espín-eco rápida (o FSE, del inglés "fast spin eco") es una secuencia espín-eco con la cual se obtienen diferentes partes del espacio-k mediante diferentes ecos. Por ejemplo, podemos tener una secuencia con cuatro espín-ecos con un TE de 15 ms. El espacio-k se dividirá en cuatro secciones. El primer eco se utilizará para completar la parte central, las líneas 96-160 del espacio-k. El segundo eco se utilizará para las líneas 64-96 y 160-192. El tercero completará las líneas 32-64 y 192-224. El último eco completará las líneas 1-32 y 224-256 del espacio-k. Hay algunos problemas con los pasos entre las secciones del espacio-k pero, como hay pocos datos en esta región, los pasos pueden ser corregidos. El beneficio de esta técnica es que una imagen completa se puede así, como se muestra en el ejemplo, obtener en un cuarto de tiempo.

Adquisición Eco-Planar (IRM Funcional)

La adquisición eco-planar (EPI, del inglés "eco-planar imaging") es una técnica rápida capaz de producir imágenes tomográficas a velocidades de video. Esta técnica obtiene una imagen completa en un período TR. Para comprender la adquisición eco-planar, es útil entender el concepto de espacio-k. Una imagen por resonancia magnética se conoce como el espacio de la imagen. Su Transformada de Fourier (TF) se conoce como el espacio-k. En resonancia magnética, el espacio-k es equivalente al espacio definido por las direcciones de codificación de la frecuencia y la fase. Las secuencias de adquisición convencionales obtienen una línea del espacio-k por cada paso de codificación de fase. Como cada paso de codificación de fase ocurre por cada período TR (segundos), el tiempo requerido para producir una imagen es determinado por el producto del TR por el número de pasos de codificación de fase. Una adquisición eco-planar mide todas las líneas del espacio-k en un único período TR

Un diagrama temporal de una secuencia eco-planar es como que se muestra a continuación Hay un pulso RF de 90º de selección de corte que se aplica conjuntamente con un gradiente de selección de corte. Hay un pulso inicial de gradiente para codificación de fase y un pulso inicial de gradiente para codificación de frecuencia para posicionar a los espines en la esquina del espacio-k. A continuación, hay un pulso RF de 180º SComo la secuencia eco-planar es característicamente una secuencia de un único corte, el pulso de 180º tiene que ser un pulso de selección de corte. Las direcciones de codificación de fase y frecuencia se repiten cíclicamente para recorrer el espacio-k. Esto equivale a poner 128 o 256 gradientes de codificación de fase y frecuencia durante el período en que normalemente se obtiene el eco. Si ampliamos esta región del diagrama temporal, se verá más claro Se puede observar que hay un gradiente para codificación de fase seguido de un gradiente para codificación de frecuencia durante el cual se obtiene una señal. A continuación, hay otro gradiente para codificación de fase seguido de un gradiente para codificación de frecuencia de polaridad inversa durante el cual se obtiene una señal.

Observando el mapa de la trayectoria del espacio-k y los gradientes de codificación de fase y frecuencia, podremos ver como los gradientes recorren todo el espacio-k. La velocidad con que se recorre el espacio-k es tal que es posible, dependiendo de la matriz de la imagen, obtener 15 a 30 imágenes por segundo. Esto es adquisición a velocidad de video.

Adquisición en Paralelo

Actualmente existen técnicas de IRM diseñadas para reducir el tiempo de exploración: la codificación por sensibilidad para IRM (SENSE), la adquisición simultánea de armónicos espaciales (SMASH), y los perfiles de sensibilidad de un arreglo de bobinas para la codificación y reconstrucción en paralelo (SPACE-RIP). La reducción se consigue mediante submuestreo del espacio-k y la obtención simultánea de imágenes mediante múltiples bobinas. El submuestreo reduce el tiempo de adquisición y el uso de múltiples bobinas de RF elimina el enrollamiento causado por el submuestreo. Para apreciar esto en su totalidad, se recomienda releer la sección sobre errores de muestreo en el Capítulo 5, el artefacto de enrollamiento en el Capítulo 11, y la sensibilidad de las bobinas de superficie en la sección de bobinas de RF en el Capítulo 9.

Si el espacio de la imagen se encuentra submuestreado en dirección de codificación de la fase por un factor de dos, la adquisición de la imagen consumirá la mitad del tiempo pero cada píxel de la imagen representará datos de dos puntos del espacio. Para representar esto en una ecuación, se define f como la frecuencia real de muestreo y fo como la frecuencia óptima de muestreo de una imagen. El espacio de la imagen se encuentra submuestreado si f < fo, y sobremuestreado si f > fo. Definiendo el factor de muestreo como,

k = f/fo,

una k<1 indica submuestreo. En una imagen submuestreada, el número de puntos en el espacio representado por píxel es 1/k. La reducción del tiempo de adquisición por submuestreo es k.

La imagen A se obtuvo utilizando fo y B utilizando fo/2 o k=1/2. Observe que en la imagen B hay porciones de la imagen que se enrollaron. Los píxeles de la mitad superior de la imagen B contienen información del ¼ inferior y del ¼ de la mitad superior de la imagen A. Los píxeles de la mitad inferior de la imagen B contienen información del ¼ superior y del ¼ de la mitad inferior de la imagen A. Con las secuencias SENSE, SMASH o SPACE-RIP es posible decoficar la información de la imagen B y obtener la imagen A en solo la mitad del tiempo de adquisición.

Examinemos el proceso en detalle con un ejemplo específico. Si se adquiere una imagen de un objeto S con cuatro bobinas (A, B, C y D) con una frecuencia de muestreo fo/4. La imagen del objeto presentará enrollamiento alrededor de las cuatro secciones definidas por las líneas rojas y tendrá un cuarto de su tamaño original. Cada una de las cuatro bobinas producirá una imagen (IA, IB, IC, y ID) que tiene un cuarto del tamaño óptimo y que está constituida por el solapamiento de las cuatro secciones (S1, S2, S3, yS4) de la imagen óptima del objeto S. Cada una de las cuatro bobinas tendrá una mapa de sensibilidad (CA, CB, CC, y CD). Las señales de las correspondientes bobinas están dadas por las siguientes ecuaciones

Resolviendo este sistema de ecuaciones, es posible obtener S1, S2, S3, y S4 y, luego, unirlas para formar S.

Hay algunos costos adicionales asociados a esta técnica de adquisición. Se necesita una cantidad 1/k de bobinas, canales y digitalizadores en el equipo. Algunos investigadores están trabajando con sistemas de 32 canales. Existe algún grado de degradación de la imagen asociado a este proceso debido a que se suma el ruido de los cuatro canales y a la propagación de errores en la solución del sistema de ecuaciones. Sin embargo, el ahorro del tiempo hace que este proceso valga la pena.

Adquisición Propeller

La adquisición propeller es una secuencia útil para estudios dinámicos que requieren la adquisición de un conjunto de imágenes secuenciales, continuas en el tiempo. Solo una fracción del espacio-k se adquiere por cada imagen secuencial. La técnica se basa en el hecho que la mayoría de la información se encuentra en el centro del espacio-k. Cada adquisición cubre una porción rectangular del espacio-k que pasa por el centro del espacio-k. Esta región rectangular se conoce como el propeller. El recorrido del espacio-k es similar al de la secuencia eco-planar. Después de adquirir cada imagen secuencial, el ángulo de adquisición se incrementa y se adquiere la próxima imagen secuencial Este procedimiento es continuo durante todo el estudio dinámico. Cada imagen secuencial adquiere la porción central del espacio-K. Las porciones periféricas del espacio-k se actualizan cada ciclo del propeller a través del espacio-k.


Problemas

  1. Dibuje un diagrama temporal de una adquisición de inversión-recuperación que utiliza una secuencia gradiente-eco para detectar la señal presente un TI después del pulso de inversión (180º) .

  2. Se adquiere una imagen de un tejido con T1= 500 ms, T2 = 50 ms, y T2* = 50 ms. Compare la señal de una secuencia gradiente-eco que utiliza un pulso RF de 10º, TR = 50 ms y TE = 20ms con una secuencia espín-eco que utiliza el mismo TR y TE

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