Manyetik Rezonans Görüntüleme: Temel Bilgiler

GRADİYENT-EKO (GE)

Şu ana kadar MRG’de sık olarak kullanılmakta olan Spin-eko ve Inversion Recovery sekanslarını inceledik. Aslında Spin-eko ile mükemmel anatomik detay elde edilmektedir; ancak bu sekansın bazı dokuların fizyolojik özelliklerini tam olarak yansıtmaması ve inceleme süresinin uzun olması gibi dezavantajları vardır. Bununla birlikte son yıllarda Spin-eko, “Fast Spin-eko (FSE)” veya “Turbo Spin-eko (TSE)” sekansları adı altında modifiye edilmiş ve inceleme süresi belirgin derecede kısaltılmıştır (16) (bu konu ileride detaylı olarak tartışılacaktır). Bu dezavantajları ortadan kaldırmak için 80’li yılların sonlarına doğru, “Hızlı görüntüleme yöntemleri” adı altında Gradiyent-eko sekansı geliştirilmiştir. Bu tekniğin avantajlarını kısaca sıralayacak olursak; Spin-eko’ya göre çok kısa sürelerde görüntü elde edilebilmektedir; buna bağlı olarak hareket artefaktları daha az problem yaratmaktadır ve hızlı görüntülemeye sekonder olarak kardiyak incelemelerde olduğu gibi fonksiyonel bilgiler veren görüntüler elde edilebilmektedir. Bunlara ek olarak, gösterdiği doku kontrastı özellikleri sayesinde günümüzde hızla gelişmekte olan MR anjiyografi yapılabilmekte ve yine tekniğin hızlı olmasına bağlı olarak 3 boyut (3 Dimention=3D) görüntüleri elde edilebilmektedir (bu sayede uzaysal rezolüsyon belirgin derecede artmaktadır). Aslında 3D tekniği her sekans tipinde uygulanabilir; ancak inceleme zamanının kısa olması ile pratikte sadece Gradiyent-eko sekansı buna izin vermektedir (bu konu ileride tartışılacaktır). Bu tekniğin bu kadar değerli özellikleri yanında belirgin dezavantajları da vardır; bu tekniğin kendine özgü doku kontrast özellikleri olduğundan dolayı Spin-eko ile elde ettiğimiz dokular arasındaki kontrastı, Gradiyent-eko ile tam olarak elde edemiyoruz.

Gradiyent-eko sekansında inceleme süresi nasıl kısaltılmaktadır?

Daha önce belirtildiği gibi, inceleme zamanını belirleyen 3 unsur vardır:

TR, matriks, NEX. İnceleme zamanını kısaltmak için bu 3 unsurdan herhangi biri kullanılabilir; ancak matriks değeri rezolüsyonu etkilediğinden dolayı, NEX ise magnet gücü (Tesla) ile direk ilgili olarak sinyal amplitütünü etkilediğinden dolayı bunları değiştiremiyoruz (zaten inceleme sırasında parametreleri belirlerken zamanı mümkün olduğunca kısaltmak için bunları en uygun değerlerde seçiyoruz). Dolayısıyla inceleme zamanının kısaltılması ancak TR değerinin değiştirilmesi ile mümkün olmaktadır ve Gradiyent-eko, işte bu temel üzerine kuruludur.  

Bu sekansda Spin-eko’da kullanılan 180° RF puls kullanılmayıp (buna benzer etki bu teknikte Gradiyent sistem ile oluşturulur); 90 dereceden küçük açıda olmak üzere tek RF puls kullanılmaktadır. Dolayısıyla 90 dereceden küçük açılardaki RF pulslar arasındaki süre TR olarak bilinir ve bu sekansda çok kısa TR değerleri (genellikle 50 msn’den kısa) kullanılmaktadır. Bu kadar kısa süre içersinde bir çok dokuda longitudinal relaksasyon oluşmadığından dolayı, birkaç RF puls uygulamasından sonra protonlar satüre olacak; yani ort amda longitudinal manyetizasyon kalmayacak ve buna bağlı olarak da RF pulsları ile sinyal elde edilemeyecek veya çok az bir amplitütde sinyal kaydı yapılabilecektir. Bunu önlemek için “Flip Angle”(sapma açısı) 90 yerine daha düşük derecelerde ayarlanır; bu durumda dokuda her zaman için bir longitudinal manyetizasyon kalacaktır (Şekil 7.14) ve sonraki RF pulslar ile dokudan sinyal elde edilebilmektedir.

Şekil 7.14: 90 RF puls kullanildiginda longitudinal manyetizasyonun tamamen ortadan kalktigina; buna karsin 90 RF puls yerine ornegin 45 RF puls uygulandiginda ortamda her zaman icin bir longitudinal manyetizasyonun kaldigina dikkat ediniz.

90 dereceden küçük açılarda RF puls Spin-eko sekansında neden kullanılmaz?

Aslında 90 dereceden daha küçük değerlerde sapma açılan (flip angle) Spin-eko sekansında da kullanılabilir; ancak 180° RF puls uygulandığı anda ortamda longitudinal manyetizasyon var ise, bu 180° RF puls ile ters yöne dönecektir ve sekans çok kompleks bir hale gelecektir. Bu nedenle Spin-eko sekansında 90 dereceden küçük sapma açısı (flip angle) kullanılması uygun değildir.

Daha önce belirtildiği gibi, Gradiyent-eko sekansında 90 dereceden küçük açıda olmak üzere tek RF puls ve çok kısa TR değerleri kullanılmaktadır. Bu kadar kısa TR süresi içersinde longitudinal manyetizasyonun durumundan bahsettik; ancak transvers manyetizasyona ne olmaktadır?. Gradiyent-eko’da kullanılan TR süresi içersinde, bir çok dokuda transvers relaksasyon tamamlanamaz; dolayısıyla ortamda longitudinal manyetizasyon ile birlikte hemen her zaman için bir transvers manyetizasyon da olacaktır. İşte oluşan bu duruma “Steady-State free precession (SSFP)” denmektedir ve bu konunun anlaşılması Gradiyent-eko’nun anlaşılması bakımından çok önemlidir.

Flash : (Fast Low Angle Shot)

Eğer T1 ağırlıklı görüntüler elde etmek istiyorsak, Spin-eko’da olduğu gibi dokuların T1 sürelerinin farklı olmasından faydalanmak zorundayız; dolayısıyla steady-state konumuna ulaşmak avantajlı değildir (çünkü steady-state durumuna ulaşıldığında dokuların T2 sürelerinin farklı olması ön plana çıkmaktadır; bunun anlamı T2 süreleri faklı olan dokular arasında steady-state konumuna ulaşıldığında, dokular arasında mevcut transvers manyetizasyon amplitütleri farklı olacak, buna bağlı olarak da tekrarlanan RF pulslar ile farklı amplitütde sinyaller elde edilmektedir).

Steady-state konumundan nasıl kurtulunur?

Bu amaçla bilgisayarda bir sekansın data bilgileri toplandıktan sonra, ortamda mevcut transvers manyetizasyonu, protonlar arasında faz şifti (phase shift) oluşturarak ortadan kaldıran bir gradiyent kullanabiliriz (gradiyentlerin “de-phase” oluşturarak transvers relaksasyonu hızlandırdıklarını hatırlayınız). Kullanılan bu gradiyente “Spoiler Gradiyent”, bu yöntemin kullanıldığı Gradiyent-eko sekansına ise “FLASH (Fast low angle shot)” veya “Spoiled Flash” denmektedir (Şekil 7.15)  

Şekil 7.15: Flash puls zamanlama diyagrami

Bu sekans tipinde, RF pulsları arasında transvers manyetizasyon etkili biçimde “de-phase” oluyorsa (yani transvers manyetizasyonu ortadan kaldırabiliyorsak; ki bunun için Spoiler gradiyentin kullanıldığını söyledik); kısa TR ve 30-60 derece gibi flip angle ile T1 ağırlıklı görüntüler elde edilmektedir. Bu teknikte T2 ve T2* etkisinden kurtulmak için, TE mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır (TE, Spin-eko’da olduğu gibi, 90° RF puls ile eko-sinyalin alındığı an arasındaki süredir). Elde edilecek görüntünün T1 ağırlığı Flip angle 90 dereceye yaklaştıkça artacaktır; fakat bunun da, ortadaki longitudinal manyetizasyonu azaltıcı, buna bağlı olarak elde edeceğimiz sinyalin amplitütünün azalması gibi sakıncaları vardır. Bu nedenle tetkikte en uygun olan flip angle seçilmelidir.  

Flash puls zamanlama diyagramından da anlaşıldığı gibi; bu teknikte Spin-eko’dan farklı olarak 180° RF puls kullanılmayıp, sadece 90 dereceden küçük açıda olmak üzere tek RF puls kullanılmaktadır. Spin-eko’da 180° RF puls ile oluşturduğumuz etkiye benzer etkiyi, bu teknikte frekans-kodlama gradiyenti ile oluşturmaktayız (Şekil 7.15) ve yine TE süresi sonunda eko-sinyal elde etmekteyiz (bu ekonun oluşturulmasında gradiyent sistem kullanıldığından dolayı bu sekans tipine Gradiyent-eko denmektedir). Sekansda uygulanan frekans-kodlama’nın ilk bölümü protonlar arasında “de-phase” oluşturmaktadır. Daha sonra frekans-kodlama ters olarak çalıştırıldığında ise protonlar bir noktada faz durumuna (inphase) ulaşırlar ve eko-sinyal oluştur (Şekil 7.16) (eko-sinyalin elde edildiği anda salınım frekanslarının farklı olacağına dikkat ediniz). Dolayısıyla Spin-eko’da 180° RF puls ile yaptığımız etkisi bu teknikte frekans-kodlama gradiyenti ile yapmaktayız.

Şekil 7.16: Gradiyent-eko'nun olusmasi Frekans kodlama'nin ilk bolumu "de-phase" olusturmakta, sonraki bolumu ise "in-phase" olusturmakta ve eko-sinyal olusmasina neden olmaktadir.

Belirlenen TR ve flip angle (sapma açısı) değerleri sinyal amplitütünü hangi oranlarda etkilemektedir?  

Bunu değişik sapma açılarına (flip angle) karşı TR değerleri olarak grafiklersek (Şekil 7.17) : TR’ın düşük değerlerinde sinyalin belirgin derecede azaldığını ve her TR değeri için bir tepe noktası olduğunu görmekteyiz. Bunun anlamı her TR değeri ile belli bir açıda maksimum sinyal elde edebileceğimizdir ve her TR değeri için maksimum sinyalin elde edildiği bu açıya “Ernst Angle”  denir.   Bu teknik ile proton dansitesinde görüntü elde etmek için, T1 ve T2(T2*) etkilerinden kurtulmamız gereklidir. Bu amaçla yine steady-state konumu uygun değildir, dolayısıyla bunu ortadan kaldırmak için yine Spoiler gradiyentin kullanılması gereklidir. Küçük sapma açısı (flip angle) (FA) ile bir çok doku longitudinal manyetizasyonlarını tamamlamış olacaklarından, bu sayede T1 etkiden (T1 ağırlığından) kurtulmaktayız.

Şekil 7.17

Grass : (Gradient Recalled Acquisition at Steady-State)

Gradiyent-eko sekansında T2 ağırlıklı görüntü elde etmek için daha önce tanımlanan steady-state konumundan faydalanılması gerekmektedir ve bu durumda RF puls’ların tekrarı süresince ortamdaki mevcut transvers manyetizasyon amplitütü, elde edilecek sinyalin amplitütünü belirleyecektir.

Bu tekniğe benzer sekanslara, FISP (Fast imaging Steady-state precession), PSI (Partial Saturation Imaging), FAST (Fourier acquired Steady-state) ve FFE (Fast Field echo) gibi isimler verilmektedir.

Spin-eko’da elde edilen sinyal, dokuda mevcut longitudinal manyetizasyondan elde edilmektedir ve bu Spin-eko için gayet doğaldır. Çünkü kullandığımız TR değeri, dokuların T2 değerlerinden belirgin derecede büyüktür (TR>>T2). Flash Gradiyent-eko sekansında ise uyguladığımız TR, bazı dokuların T2 değerlerinden daha kısadır; bu olumsuz etkiyi ve karışıklığı ortadan kaldırmak için (tüm dokularda transvers manyetizasyonu ortadan kaldırmak için) bu sekansda (FLASH) Spoiler gradiyent kullanılmaktadır (aslında pratikte Spin-eko’da da kalmış olabilecek transvers manyetizasyonu ortadan kaldırmak için “de-phasing gradiyent” kullanılmaktadır). GRASS’da ise T2 ağırlıklı görüntü oluşturmak için amacımız dokuda steady-state konumuna ulaşmaktadır ve bu amaçla TR değeri çok kısa tutulmaktadır (dolayısıyla bu küçük TR zamanında transvers relaksasyon tamamlanamayacak ve hemen her zaman için ortamda transvers manyetizasyon olacaktır). Grass puls zamanlama diyagramında (Şekil 7.18) dikkat edilirse, FLASH’’dan farklı olarak Spoiler gradiyent kullanılmaz; bunun yerine faz-kodlama’da buna ters yönde çalışan ikinci bir “re-phasing gradiyent” mevcuttur. Bunun amacı faz-kodlama ile oluşan faz şiftinin neden olduğu “de-phasing” etkiyi ortadan kaldırmaktır (çünkü mevcut “de-phasing” etki steady-state konumunu bozmaktadır). Oluşturulan steady-state’de transvers manyetizasyon amplitütü T2’si uzun olan dokularda yüksek olacaktır; ayrıca flip angle yüksek ise yine transvers manyetizasyon amplitü fazla olacaktır. Eğer T2>>T2 ise, her şeye rağmen steady-state ortadan kalkacaktır ve bu durumda Grass ile Flash aynı özellikleri taşır (“re-phasing” gradiyentte rağmen); yani uzun TR ile FLASH ve GRASS teknikleri aynı görüntüyü vermektedirler.  

Şekil 7.18: Grass puls zamanlama diyagrami - Bu sekansta spoiler gradiyent kullanilmaz. Bunun yerine faz kodlama'da ters yonde calisan ikinci bir gradiyent uygulanir (re-phasing gradient). Bunun amaci, faz kodlama ile olusan faz siftinin neden oldugu "de-phasing" etkiyi ortadan kaldirmaktir.

Resim 7.4: Gradiyent-eko ile elde edilmis goruntuler (TR=400, TE=9). a) FA 10, b) FA 30, c) FA 90

Multi-slice Görüntüleme tekniği Gradiyent-eko sekansında uygulanabilir mi?

FLASH tekniğinde TR süresi kısmen uzun tutulduğundan dolayı bu mümkün olur. Ancak GRASS tekniğinde TR değeri çok kısa tutulduğundan, multi-slice görüntüleme tekniğini uygulamak mümkün olmamaktadır. Dolayısıyla, GRASS tekniğinde TR çok kısa olmakla beraber (bununla doğrudan ilişkili olarak inceleme süresi de kısalmaktadır); kesit sayısının artması inceleme süresini doğrudan artırmaktadır. Başka bir deyişle; GRASS’de inceleme süresi : Kesit sayısı x TR x Matriks x NEX olarak tanımlanır.

Spin-eko’da magnetin neden olduğu inhomojeniteyi ortadan kaldırmak için 180° RF puls kullanılmaktadır. Oysa Gradiyent-eko’da 180° RF puls yerine, yine eko oluşturmak amacıyla gradiyent sistem kullanılmaktadır ve bu sekans ile elde edeceğimiz sinyal magnet inhomojenitelerinden etkilenecektir. Bu nedenle elde edilen T2 görüntülerine T2 yerine T2*(T2 star) denmektedir. Yani, transvers relaksasyona neden olan 2 tane önemli neden vardır: (bu konu kitabın ilk bölümlerinde tartışıldı) mikroskobik manyetik çevre farklılıkları (bu bize T2 ağırlıklı görüntüleri vermektedir) ve magnetin neden olduğu manyetik inhomojenite (bu, Spin-eko’da 180° RF puls uygulaması ile ortadan kaldırılabilmektedir). Magnetin neden olduğu manyetik inhomojenite Gradiyent-eko’de tam olarak ortadan kaldırılamaz. Çünkü frekans-kodlama ile protonlar arasında ilk önce “de-phase” ve sonra “re-phase” ile eko elde ediyoruz; ancak bunun yanında ortamda gradiyent sistem ile kontrol edemediğimiz (değişik yönlere doğru “de-phase” oluşturan) ve yine sistemimizin neden olduğu manyetik inhomojenite kalmaktadır (Spin-eko’da uygulanan 180° RF puls ile bu sorun çözülmektedir).

Bugün rutin klinik kullanımda; Gradiyent-eko genellikle MR anjiyografi, 3D volüm görüntüleri ve kardiyak incelemeler amacıyla kullanılmaktadır (çünkü rutin klinik kullanımda bu teknikler için Gradiyent-eko sekansı esastır). Bunun yanında, özellikle düşük Tesla değerli sistemlerde genellikle T2 ağırlıklı görüntüler yerine inceleme zamanını kısaltmak için T2* görüntüleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Aslında FLASH ile elde edilen T1 ağırlıklı görüntüler Spin-eko ile elde edilen görüntüler ile aynı özellikleri taşır; buna karşın biraz önce bahsedilen nedenlerden dolayı, T2 ağırlıklı görüntüler (T2*) şimdilik yeterince başarılı değildir ve Spin-eko ile elde edilen T2 ağırlıklı görüntüler bugün için esas kabul edilir. Örneğin dehidrate diskler veya spinal kord lezyonları Gradiyent-eko ile elde edilen T2* görüntülerinde kolaylıkla gözden kaçabilmektedir.

3 D GRADİYENT-EKO GÖRÜNTÜLEME (3 dimension – 3 boyutlu)  

3 D görüntülemenin esası, kesit-belirleme gradiyenti yerine, faz-kodlama gradiyenti uygulamaktır (Şekil 7.19). Bunun anlamı; şu ana kadar incelediğimiz sekanslarda bir kesit için uygulanan RF puls, bu teknikte incelenmesi planlanan tüm dokuya aynı anda uygulanmaktadır. Dolayısıyla elde edeceğimiz sinyal, bir kesit içine giren protonlar yerine geniş bir volüm içindeki protonlardan geldiğinden dolayı çok daha yüksek amplitütde olacaktır. Günümüzdeki cihazlarda bu uygulanan ikinci faz-kodlama stepleri 32 ile 256 arasında değişmektedir (bunun anlamı kesit sayımız 32 ile 256 arasında olabilir) (kesit sayısı ikinin katı olmalıdır ve kesit sayısı 2D tekniklerinden farklı olarak TR’dan bağımsızdır).

Şekil 7.19: 3D volum goruntuleme

Bu tekniğin şu ana kadar gördüğümüz tekniklerden esas farkı veya avantajları nelerdir?

Daha önce incelediğimiz sekanslarda kesit-belirleme gradiyentinin nasıl çalıştığını ve RF pulsun sadece bir kesite denk gelen protonları etkilediğini hatırlayınız; bu durumda kesit kalınlığını belirleyen ana unsurlar, kesit-belirleme gradiyentinin gücü ve RF puls bant genişliğidir. Dolayısıyla ince kesit elde etmek için gradiyentin gücünü artırabiliyor veya RF puls bant genişliğini daraltabiliyorduk. Bununla birlikte; kesiti ince olarak düzenlersek, kesit içine düşen protonların miktarı azalacağından elde edeceğimiz sinyalin amplitütü belirgin olarak azalacaktır. Bu azalma düşük Tesla değerli cihazlarda belirgin iken, yüksek Tesla değerli cihazlarda daha az belirgindir; yüksek Tesla değerli cihazlarda kesit kalınlığının daha kolaylıkla azaltılabilmesinin de sebebi budur. Dolayısıyla, şu ana kadar incelediğimiz sekanslarda; cihazımız yüksek Tesla değerli ise ince kesit yapabildiğimiz halde, eğer cihazın Tesla değeri düşük ise bu mümkün olamamaktadır. Bununla birlikte cihazın Tesla değeri ne kadar yüksek olursa olsun çok ince kesit yapma şansımız (2D teknikleri ile) yine de mümkün değildir. Ancak 3D tekniği uygulandığında 1 mm. gibi ince kesitler kolaylıkla yapılabilmektedir. Bunun nedeni sinyalin sadece bir kesitten değil, tüm doku volümünden gelmesidir, yani sinyal amplitüt azlığı sorunu bu teknik ile ortadan kaldırılmaktadır. Aslında sinyal amplitütünün fazla olması SNR (signal-to-noise ratio)’ın yüksek olması demektir. İleride detaylı olarak bahsedilecek olan SNR (Signal-to-noise ratio) 3D tekniğinde 2D tekniği ile karşılaştırıldığında daha yüksek (SNR bu teknikte kesit sayısının kökü ile orantılıdır) elde edilmektedir. Örneğin 64 kesitlik 3D inceleme, benzer sekans ve aynı TR ile yapılmış 2D tekniği ile karşılaştırıldığında SNR 8 kat daha fazla olmaktadır. Bu özellikleri ile, 3D tekniği ile elde edilen görüntülerde uzaysal rezolüsyon, 2D tekniği ile elde edilen görüntülere göre belirgin derecede daha yüksek olmaktadır.

Ayrıca, 2D teknikleri ile kesitlerimizi devamlı biçimde alırsak (kesintisiz olarak veya kesitler arasında gap [aralık] olmaması), kesitler arasında BT’de parsiyel volüm etkisine benzer şekilde, “cross-talk etki” oluşmaktadır (bu konu ileride detaylı olarak tartışılacak); bu nedenledir ki; 2D tekniklerinde genellikle kesitler arasında gap (aralık) uygulanmaktadır. 3D tekniğinde ise kesit kalınlığımız çok ince olduğu halde cross-talk etki çok azdır.

Günümüzde pek kullanılmamakla birlikte, 3D tekniğininin bir diğer avantajı ise, elde edilecek volüm görüntülerinde, inceleme planının ikinci bir inceleme yapılmadan değiştirilebilmesidir. Yani, incelememizi aksiyal olarak yaptıktan sonra, elde edilecek bilgisayar verilerinden (data) koronal veya sagittal kesit görüntüleri elde edebilmekteyiz (buna benzer mekanizma BT’de rekonstriksüyon (reformasyon) olarak bilinir, ancak bunda rezolüsyon belirgin derecede düşmektedir-bununla birlikte BT’de son yıllarda geliştirilen 3D volüm görüntü teknikleri ile bu rezolüsyon belirgin derecede artırılmıştır).

Elde edeceğimiz görüntülerde dokular arası kontrast, 2D tekniğinde elde edilen görüntüler ile aynıdır; önemli bir değişiklik göstermez.

İnceleme süresi Grass tekniğindeki gibidir. Yani;

İnceleme süresi : kesit sayısı x TR x Matriks x NEX

Bu teknikte kesit sayımız çok olduğundan dolayı doğal olarak inceleme diğer sekanslardan daha uzun sürmektedir.

Bu teknik diğer sekanslarda uygulanamaz mı?  

Tekniğin Gradiyent-eko ile herhangi bir spesifitesi yoktur; ancak Gradiyent-eko sekansında inceleme süresinin çok kısa olması bu tekniğin uygulanmasını mümkün kılmaktadır. Çünkü, daha önce bahsedildiği gibi bu teknikte çok ince olmak üzere çok sayıda kesit elde edildiği için, diğer sekanslar uygulandığında inceleme süresi çok artacaktır.

Şekil 7.20

İncelenen doku volümünde, voxellerimizin 3 boyutu da birbirlerine eş olursa, buna “isotropic 3D”; farklı olursa “anisotropic 3D” denmektedir (Şekil 7.20).  

Ana sayfa     I    iletisim