Implementace Dixonových technik pro preklinické MR zobrazování na vysokých polích

Abstract

Preklinické magneticko-rezonanční (MR) zobrazování na malých zvířatech je velmi aktuální a vyžaduje, vzhledem k rozměrům těchto zvířat, vyšší citlivost. Vyšší citlivosti lze dosáhnout použitím MR systému s vysokým základním magnetickým polem (např. 4,7 T a výše). Vyšší citlivost přináší výhody v podobě možnosti vyššího rozlišení, lepší poměr signál-šum, větší chemický posuv, prodloužení longitudinální relaxace (T1), atd. Na druhou stranu vyšší magnetické pole znamená větší deformace základního magnetického pole na rozhraních tkání s rozdílnou susceptibilitou a zkrácení transverzální relaxace (T2). Tuková tkáň je významně zastoupena v lidském těle a primárně sloužící pro uchovávání energie ve formě tuků. Tukovou tkáň lze rozdělit na hnědou a bílou tukovou tkáň. Hnědá tuková tkáň se vyskytuje hlavně u novorozenců, ale může být ve velmi malém množství také u dospělých jedinců. Bílá tuková tkáň je určena pro ukládání tuků, které slouží jako zdroj energie. Kromě toho bílá tuková tkáň produkuje adipokiny, hormony a mnoho dalších látek důležitých pro náš metabolizmus. Tuk lze obecně považovat jako biomarker při určitých nemocech (obezita, steatóza jater, a další). Z tohoto důvodu je kvantifikace tuku velmi důležitá pro správnou diagnózu. V MR zobrazování je speciální skupina metod pro separaci vody a tuku. Tyto metody se nazývají Dixonovy metody a jejich princip je založen na chemickém posuvu. V této práci je popsána nová T2-váhovaná sekvence pro Dixonovu akvizici (Kapitola 5.3). Navržená sekvence je z hlediska akviziční doby velmi efektivní a řadí se mezi tříbodové Dixonovy (3PD) techniky. Nově navržená sekvence fast triple spin echo Dixon (FTSED) vychází z původní sekvence rychlého spinového echa (FSE). Modifikací původní sekvence FSE vedla ke vzniku nové sekvence FTSED, která umožňuje získat tři obrazy během jediné akvizice, bez toho aniž bychom prodloužili celkovou dobu měření. Sekvence byla úspěšně implementována na 9,4 T MRI systém na Ústavu přístrojové techniky v Brně. Získaná data byla pak zpracována iterativně pomocí algoritmu IDEAL (iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation). Výsledkem jsou separátní obrazy vody a tuků, z kterých lze vypočítat mapy frakce tuku (FF-mapy). Sekvence byla ověřena na fantomech a poté byla odzkoušena potkanovi. Úspěšná implementace této metody na 9,4 T MRI systému znamená, že může být použita také na MR zobrazovacích systémech s nižšími magnetickými poli.

Preclinical magnetic resonance (MR) imaging in small animals is a very popular procedure that requires a higher sensitivity, given the small size of the subjects. A higher sensitivity can be reached when an MR imaging system with a high magnetic field is used (e.g., 4.7 T or higher). The benefits of such sensitivity include, for example, a higher resolution, an improved signal-to-noise ratio (SNR), an increased chemical shift, and a longer T1 longitudinal relaxation time. On the other hand, a high field causes stronger static magnetic field deformation along the borders between tissues with different susceptibilities, and it also results in the shortening of the T2 transversal relaxation. Adipose tissue is significantly contained in the human (or mammal) body and is primarily used to store energy in the form of fat. This tissue can be classified into white and brown subsets. Brown adipose tissue is found mainly in new-born children, and a certain (yet very small) amount of such tissue can be traced also in adults. White adipose tissue then ensures the storage of fat as a source of energy. Furthermore, white adipose tissue produces adipokines, hormones, and many other substances important for metabolism. Generally, fat can be regarded as a biomarker in the case of specific diseases (obesity, steatosis – fatty liver disease, and others). Thus, the quantification of fat is a precondition for correct diagnosis. MR imaging comprises a special group of methods for water-fat separation; these methods are referred to as Dixon methods and utilize the principle of chemical shift. In this thesis, a new T2 – weighted sequence for Dixon acquisition is introduced (Chapter 5.3). The proposed sequence is a very time-effective three-point (3PD) method. The newly proposed sequence of fast triple spin echo Dixon (FTSED) is derived from the original fast spin echo sequence (FSE). Such modification of the original FSE sequence leads to a novel FTSED sequence, where three images are acquired simultaneously without any increase of the total acquisition time. The discussed sequence was successfully implemented on a 9.4 T MR imaging system at the Institute of Scientific Instruments, ASCR Brno. The acquired data were calculated through the use of the IDEAL (iterative decomposition of water and fat with echo asymmetry and least-squares estimation) algorithm. The results of the computation are water and fat images, and the fat fraction (FF) can be calculated from these. The sequence was successfully tested in a rat. The successful FTSED implementation on a 9.4 T MR imaging system enables this method to be used in low-field MR imaging systems.