04-06 Medición de T1 y T2
Los tiempos de relajación se pueden medir de diferentes maneras con diferentes grados de precisión.
04-06-01 Determinación in vitro
Los que realizan espectroscopía de RM de alta resolución han medido valores T1 durante más de cinco décadas. La medición in vitro se realiza sobre una pequeña muestra, de entre 0.1-1.0 ml o ligeramente más grande, en el interior de un campo magnético extremadamente homogéneo.
Varios métodos han sido desarrollados para conseguir la máxima precisión con el mínimo consumo de tiempo. Típicamente se llevan a cabo de 15 a 30 mediciones de magnetización sobre la muestra con diferentes retardos de tiempo; TI en los experimentos de recuperación-inversión y TR en experimentos de saturación parcial. Basándose en estos resultados se calcula un valor T1 con límites de error generalmente menores al 5%.
T2 puede ser calculado con una sola secuencia multi-eco. Cuanto más ecos se utilicen mayor será la precisión de la medición.
Calculations based on fast pulse sequences (i.e., not "clean" sequences other than IR or SE) lead to rough estimates of T1, T2, T2* (and proton density) values. They might be "reproducible" when repeated, but the use of relaxation time values acquired with such pulse sequences is not advisable for scientific or clinical comparisons.
04-06-02 Determinación in vivo
En equipos magnéticos de mayor tamaño es posible examinar organismos completos lo que es más fisiológico que el examen aislado de órganos o tejidos resecados. Relaxation time measurements were considered very important during the first years of commercial MR imaging. All machines were programmed to create true T1 and T2 images, based on SE and IR sequences. However, soon it became clear that relaxation time values were not the claimed invaluable addition to diagnostics.
Localización. Uno de los principales problemas de las mediciones del tiempo de relajación in vivo es la localización del volumen a ser estudiado. Los detalles acerca de las técnicas de localización se dan en el Capítulo 6. La precisión real de las mediciones in vivo depende del número de datos puntuales adquiridos y de la calidad de la localización. Localization is relatively uncomplicated in little or non-moving organs such as the brain, but demanding and partly impossible (in particular at high fields) in organs with complex movement patterns such as the heart.
Relaxation time values and proton density calculation. El método actual utilizado para obtener una imagen T1, es decir, una imagen cuyos componentes representen valores puros T1, se basa en una manipulación matemática de imágenes con diferente influencia T1 obtenidas por separado. Measurements are easier and more accurate at low and medium fields, because T1 values are shorter, ECG triggering is less complicated, and artifacts less pronounced at these fields.
Típicamente se utilizan de dos a cuatro imágenes y sus señales se procesan matemáticamente para calcular los valores de T1 puros. Teniendo en cuenta que la relajación in vivo puede ser multiexponencial un ajuste limitado a una curva exponencial sería inadecuado. Las imágenes T2 se calculan a partir de series de imágenes multi-eco. En el ámbito clínico se aplican por lo general cuatro u ocho ecos.
Usually, diffusion, flow, and multiexponential decays are not taken into account in the fits and noise as well as motion artifacts add to inaccuarcies. Todos los métodos que dependen de cortes transversales del objeto examinado tendrán como fuente de error adicional el volumen parcial de los bordes de los cortes. El único método que evita este problema es la verdadera adquisición de imágenes en volumen 3D.
The multilayered complexity of factors and features influencing and creating relaxation time and proton distribution changes is not completely understood yet [⇒ Springer].
Faster data acquisition. Precise measurements require long acquisition times; the repetition time, TR, should be equal to or greater than 5×T1. At 0.15 T, the T1 of myocardium is around 380 ms, at 1.5 T it has climbed to around 1000 ms. Such measurements at low fields take approximately 5 minutes, at high or ultra-high field more than 10, perhaps 15 minutes. Thus, faster acquisition methods were sought and developed.
Fast acquisition of quantitative T1 maps can, e.g., be based on a series of snapshot fast low-angle shot (FLASH) images after inversion of the magnetization [⇒ Deichmann]. Estas técnicas pueden ser útiles para estimar la concentración de agentes de contraste paramagnéticos en un órgano.
Since the acquisition of quantitative tissue data from a beating heart has to be very fast, lately much research is focused on modifications of a pulsed NMR sequence proposed by David C. Look and Donald R. Locker in 1969. MRI did not exist at that time, and Look and Locker used their time-saving one-shot method for NMR spectroscopy instead of the conventional methods to measure the T1 relaxation time. The spectroscopic “LL” method was within 10% of the conventionally precise-calculated value [⇒ Look+Locker].
In the 1980s, the method was further developed for MRI by Graumann and his colleagues [⇒ Graumann]. Others followed and precision was waived for speed. The modified sequences for cardiac MRI experimentally used today called MOLLI [⇒ Messroghli] and ShMOLLI [⇒ Piechnik] suffer from severe errors. The MOLLI scheme does not calculate true T1, but contaminated “apparent” T1 values. These values are also shorter than true T1 values. "Apparent" T1 values of MOLLI and ShMOLLI measurements of, e.g., normal myocardium have an error range of 30%. A number of different pulse sequences, e.g., SASHA, SAPPHIRE, DESPOT and many others are also being tested.
Critical remarks. Cardiologists are using "apparent" T1 for "cardiac mapping" and T2* for measuring cardiac iron overload, which according to them is, so far, one of the most useful approaches of modern cardiac medicine. From a scientific point of view, these measurements are wrong because the margin of error is huge.
However, in medicine to be imprecise does not preclude specific use.
Enter: the cardiologists. Welcome to the scientific arena.
A comment.
And a follow-up: The return of MR fingerprinting.
A comment.
Synthetic images. Relaxation time and proton density values can be used to create synthetic or simulated images for training and teaching purposes.
04-06-03 Imágenes T1 (o T2) e imágenes ponderadas
En la rutina clínica, la gente suele hablar de imágenes T1, T2 o densidad de protones. Los términos correctos deben ser imagen "ponderada" en T1, T2 y densidad protónica (ρ) (o mejor de ponderación intermedia) debido a que estas imágenes tienen sólo un cierto componente T1, T2 o densidad de protones. No se calcula el tiempo de relajación pura o imágenes de densidad protónica. En el Capítulo 10 se explican estos conceptos en detalle.
Se pueden comparar las Figuras 04-22c y d, que son imágenes potenciadas en T1 y T2, con las imágenes puras T1 y T2 de las Figuras 04-22a y 04-22b.
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Figura 04-22:
(a) Calculated (pure) T1, and (b) calculated (pure) T2 images of a patient with a polyp in the left paranasal sinus. Figures (c) and (d) show T1- and T2-weighted images. Pure T1- and T2-images are of very limited diagnostic value. Multiparameter weighted images are far more valuable for clinical diagnosis and commonly used in patient studies.
04-06-04 Medidas de tiempo de relajación en la práctica
Quince años después de la primera descripción del diferente comportamiento de relajación de los tejidos por Erik Odeblad [⇒ Odeblad], algunos investigadores comenzaron a postular que los tiempos de relajación permitían diferenciar tumores de tejidos normales, ya que la mayoría de los valores T1 (y en una manera semejante T2) del tejido patológico pueden diferir del T1 los tejidos similares normales [⇒ Damadian] (cf. Historia de la RM).
Sin embargo la capacidad de discriminar el tipo de tumores o su grado usando los valores de tiempo de relajación sigue siendo un sueño a pesar de los sofisticados avances introducidos en los últimos años. La Figura 04-23 muestra que hay diferencias entre el T2 de los tejidos normales y el de los enfermos. Aunque los valores de T2 son más precisos que los de T1 porque se utilizan más puntos para su cálculo, estas diferencias no son significativas entre los valores de T2 de, por ejemplo, tumores, edema o infarto.
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Figura 04-23: |
El tamaño de la matriz, el grosor del corte así como efectos de volumen parcial son factores limitantes en las mediciones de tiempo de relajación in vivo debido a las variadas estructuras biológicas diferentes incluidas dentro de cada elemento de volumen. La desviación estándar en el ajuste, los artefactos y las variaciones en la selección de los elementos de volumen por los operadores son también posibles fuentes de error (Figura 04-24).
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Figura 04-24: |
Las variaciones dentro de la misma lesión relacionadas con la vascularización, la necrosis y el comportamiento de células contribuyen a la superposición de valores de los tiempos de relajación. Además las lesiones similares pueden tener más de un tipo de relajación exponencial, por ejemplo en el caso de tumores cerebrales y placas de esclerosis múltiple. Esto parece esperable teniendo en cuenta la heterogeneidad de los tumores. Reproducibility of such measurements is also limited.
Todos los años, la literatura anuncia nuevos intentos de sacar partido a la medición del tiempo de relajación in vivo. Hay algunos informes positivos acerca de su uso. La mayor parte se refieren al seguimiento durante el tratamiento, siendo los propios pacientes la referencia. Las publicaciones incluyen, por ejemplo, un informe de que los tiempos de relajación en la médula ósea leucémica se puede utilizar para el diagnóstico diferencial de esta enfermedad (Figura 04-25) [⇒ Jensen]. Han sido publicados resultados similares en gliomas de alto grado por otro grupo de investigación [⇒ Boesinger].
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Figura 04-25: |
Otro estudio se refiere a la medición del tiempo de relajación de la sustancia blanca normal en pacientes que sufren esclerosis múltiple (EM). El mapeo píxel a píxel sugiere que podrían existir cambios invisibles y diminutos en la sustancia blanca, lo que podría explicar déficits en la función cerebral que no se pueden explicar por el tamaño y ubicación de las placas visibles de EM [⇒ Barbosa; ⇒ Lacomis; ⇒ Rinck 1987].
Sin embargo, el seguimiento del tratamiento en base a valores de tiempo de relajación es difícil y en la mayoría de los casos de dudosa fiabilidad (Figura 04-26). A rise and subsequent decline of relaxation time values after a local intervention might rather indicate edema and inflammation than successful treatment [⇒ Zhang 2014].
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Figura 04-26: |
Después de la infructuosa utilización por parte de los investigadores de valores absolutos de T1 y T2 se comenzaron a utilizar combinaciones de T1 y T2, técnicas de histograma, y técnicas tridimensionales de visualización más sofisticadas [⇒ Skalej].
La disponibilidad de las bases de datos con mediciones in vivo de tiempos de relajación es muy limitada. La mayor colección de datos fue publicada por Bottomley et al. [⇒ Bottomley 1984, 1987]. Desafortunadamente estos valores no son muy fiables. Es muy difícil realizar una comparación entre medidas de relajación in vivo e in vitro porque muchos valores de tiempo de relajación T1 cambian rápidamente después de la extracción. Sólo los tejidos cerebrales revelan un comportamiento de relajación relativamente estable después de haber sido eliminado del cuerpo [⇒ Fischer 1989].
Critical Remarks: Biomarkers. To add confusion to complicated science, changes of terms and terminology are common in contemporary bioscience. Many physiological and biological measurements and calculations are subsumed under new terms such a "radiomics", "molecular imaging", "celluar imaging", "personal imaging", "precision imaging", and others. Thirty years after the description of relaxation times and relaxation rates as possible or questionable biological indicators they are re-ranked among biological markers or biomarkers. None of these terms describes any novel scientific discipline, but rather existing specialized applications of certain measurement techniques.
In general, biomarkers are biological indicators of any kind; there are thousands of them. They are not specific for MR imaging or MR spectroscopy. Typical biomarkers are measurements or scores such as blood pressure, body temperature, or the body mass index.
In MR imaging, biomarkers break down into numerous subgroups where they can be applied standing alone or several combined, relaxation times being only one of them. Aside of T1 and T2, there are other possible indicators for the detection, diagnosis, and monitoring of treatment, i.e., of particular physiological or disease states. Quantification of MR parameters is discussed in Chapter 15. Biomarkers extracted through image segmentation and multispectral analysis are also described in Chapter 15, those acquired with the help of contrast agents in Chapter 13 and by dynamic imaging in Chapter 16.
