T2* (T2 star) MRI : Physics and Applications
T2* (T2 star) MRI is a specialized magnetic resonance imaging (MRI) technique that capitalizes on the T2* relaxation time. This relaxation time measures how quickly the magnetization of protons decays due to magnetic field inhomogeneities and magnetic susceptibility differences within tissues. This characteristic makes T2* MRI particularly valuable for detecting early iron deposition in organs such as the liver and for detecting microhemorrhages
Physics of T2* (T2 star)
T2* (read as T2 star) relaxation time is a measure of transverse relaxation that encompasses both the intrinsic T2 effects and additional dephasing resulting from inhomogeneities in the magnetic field. These inhomogeneities may be intrinsic, arising from the tissue’s characteristics, or extrinsic, stemming from imperfections in the MRI machine’s magnetic field. In a theoretical scenario devoid of these inhomogeneities, T2 and T2* would be identical. However, due to the real-world presence of factors such as magnetic field imperfections, varying tissue types, and susceptibility differences, T2* relaxation is invariably faster than T2 relaxation.
Mathematically, this relationship can be represented as: 1/T2* = 1/T2 + γΔB where is the gyromagnetic ratio and ΔB denotes the magnetic field inhomogeneities
T2* effects are most commonly observed in gradient echo (GRE) imaging, where the MRI signal fades away more rapidly than with T2 decay alone. As a result, most T2* weighted sequences are GRE sequences.
T2* (T2 star) Weighted Sequence Applications
- Functional MRI (fMRI): fMRI uses T2* MRI to detect brain activity by measuring changes in cerebral blood flow. Active brain regions show shifts in oxyhemoglobin to deoxyhemoglobin balance, influencing T2* values, allowing for mapping of these active regions.
- Assessment of Iron Overload: T2* MRI helps identify iron accumulation in organs, particularly the liver and heart, by noting decreases in T2* times. This method aids in evaluating conditions like hemochromatosis or thalassemia.
- Arterial Spin Labeling (ASL): ASL, although not exclusively a T2* technique, employs T2* sensitivity to blood magnetization changes to determine tissue perfusion, especially in the brain.
- Susceptibility-Weighted Imaging (SWI): SWI leverages T2* discrepancies from susceptibility variations. It’s notably sensitive to venous blood and microhemorrhages, useful for identifying vascular issues, traumas, or microbleeds in diseases like cerebral amyloid angiopathy.
- Cartilage Imaging: T2* mapping offers insights into cartilage health and composition. Changes in T2* values in cartilage might signify early degenerative signs even before visible morphological changes.
T2* (T2 star) Weighted Image of the Brain
|
T2*(HEMO) IMAGE OF BRAIN |
T2*(SWI) IMAGE OF BRAIN |
Pathological Appearances on T2* (T2 star) Weighted Images
- Hemorrhage: Blood products, particularly deoxyhemoglobin and hemosiderin, create magnetic field inhomogeneities, leading to signal drop or “blooming” on T2* weighted images. This is especially useful for detecting microhemorrhages.
- Calcifications: Calcifications are another common source of magnetic susceptibility differences. Like hemorrhage, they cause a signal drop on T2* weighted images.
- Venous Structures: The deoxygenated blood in veins is paramagnetic and can cause a loss of signal on T2* weighted images, making them more conspicuous. This is exploited in Susceptibility Weighted Imaging (SWI), a variant of T2* imaging.
- Iron Deposition: Certain conditions, like hemochromatosis or multiple blood transfusions, lead to excessive iron storage in tissues. Iron is paramagnetic and can cause pronounced signal loss on T2* weighted images, especially in organs like the liver or brain.
- Tumors: Some tumors can cause local field inhomogeneities either because of hemorrhage, calcifications, or other tissue changes, and may have a distinct appearance on T2* weighted images.
- Air-tissue and Bone-tissue Interfaces: At these boundaries, there’s a significant difference in magnetic susceptibility, which can lead to signal voids or artifacts on T2* weighted images.
T2* (SWI) Image of the Brain Hemorrhage
|
T2*(SWI) IMAGE OF BRAIN |
T2*(SWI) IMAGE OF BRAIN |
T2* (T2 star) Image of the Brain Hemorrhage
|
T2*(HEMO) IMAGE OF BRAIN |
T2*(HEMO) IMAGE OF BRAIN |
References
- Haacke, E. M., Xu, Y., Cheng, Y. C. N., & Reichenbach, J. R. (2004). Susceptibility weighted imaging (SWI). Magnetic Resonance in Medicine, 52(3), 612-618.
- Reichenbach, J. R., & Haacke, E. M. (2001). High-resolution BOLD venographic imaging: a window into brain function. NMR in Biomedicine: An International Journal Devoted to the Development and Application of Magnetic Resonance In Vivo, 14(7-8), 453-467.
- Rauscher, A., Sedlacik, J., Barth, M., Mentzel, H. J., & Reichenbach, J. R. (2005). Magnetic susceptibility-weighted MR phase imaging of the human brain. American Journal of Neuroradiology, 26(4), 736-742.
- Anderson, L. J., et al. (2001). “Measurement of liver iron by magnetic resonance imaging in the UK Thalassemia population.” Journal of Cardiovascular Magnetic Resonance.
T2* (sao T2) MRI là kỹ thuật chụp ảnh cộng hưởng từ (MRI) chuyên dụng tận dụng thời gian thư giãn của T2*. Thời gian thư giãn này đo lường mức độ từ hóa của proton phân rã nhanh như thế nào do sự không đồng nhất của từ trường và sự khác biệt về độ nhạy từ trong các mô. Đặc điểm này làm cho T2* MRI đặc biệt có giá trị trong việc phát hiện sớm sự lắng đọng sắt trong các cơ quan như gan và phát hiện các vi xuất huyết
Vật lý của T2* (sao T2)
Thời gian hồi phục T2* (đọc là sao T2) là thước đo độ giãn theo chiều ngang bao gồm cả hiệu ứng nội tại của T2 và độ lệch pha bổ sung do sự không đồng nhất trong từ trường. Những sự không đồng nhất này có thể là nội tại, phát sinh từ các đặc điểm của mô hoặc ngoại sinh, xuất phát từ sự không hoàn hảo trong từ trường của máy MRI. Trong kịch bản lý thuyết không có những điểm không đồng nhất này, T2 và T2* sẽ giống hệt nhau. Tuy nhiên, do sự hiện diện trong thực tế của các yếu tố như sự không hoàn hảo của từ trường, các loại mô khác nhau và sự khác biệt về độ nhạy cảm, thư giãn T2* luôn nhanh hơn thư giãn T2.
Về mặt toán học, mối quan hệ này có thể được biểu diễn dưới dạng: 1/T2* = 1/T2 + γΔB trong đó là hệ số hồi chuyển từ và ΔB biểu thị tính không đồng nhất của từ trường
Hiệu ứng T2* được quan sát phổ biến nhất trong hình ảnh tiếng vang gradient (GRE), trong đó tín hiệu MRI mờ dần nhanh hơn so với chỉ phân rã T2. Kết quả là hầu hết các chuỗi có trọng số T2* đều là các chuỗi GRE.
Các ứng dụng chuỗi có trọng số T2* (sao T2)
- MRI chức năng (fMRI) : fMRI sử dụng T2* MRI để phát hiện hoạt động của não bằng cách đo lường những thay đổi trong lưu lượng máu não. Các vùng não hoạt động cho thấy sự thay đổi trong cân bằng oxyhemoglobin sang deoxyhemoglobin, ảnh hưởng đến giá trị T2*, cho phép lập bản đồ các vùng hoạt động này.
- Đánh giá tình trạng ứ sắt : MRI T2* giúp xác định sự tích tụ sắt trong các cơ quan, đặc biệt là gan và tim, bằng cách ghi nhận mức giảm T2* lần. Phương pháp này hỗ trợ đánh giá các tình trạng như bệnh nhiễm sắc tố sắt mô hoặc bệnh thalassemia.
- Ghi nhãn quay động mạch (ASL) : ASL, mặc dù không chỉ là kỹ thuật T2*, sử dụng độ nhạy T2* đối với những thay đổi từ hóa của máu để xác định tưới máu mô, đặc biệt là trong não.
- Hình ảnh có trọng số độ nhạy cảm (SWI) : SWI tận dụng sự khác biệt của T2* từ các biến thể độ nhạy cảm. Nó đặc biệt nhạy cảm với máu tĩnh mạch và xuất huyết vi mô, hữu ích trong việc xác định các vấn đề về mạch máu, chấn thương hoặc xuất huyết vi thể trong các bệnh như bệnh mạch máu não amyloid.
- Hình ảnh sụn : Lập bản đồ T2* cung cấp thông tin chuyên sâu về sức khỏe và thành phần của sụn. Những thay đổi về giá trị T2* trong sụn có thể biểu thị các dấu hiệu thoái hóa sớm ngay cả trước khi có những thay đổi hình thái rõ ràng.
Hình ảnh có trọng số của não T2* (sao T2)
|
HÌNH ẢNH T2*(HEMO) CỦA NÃO |
HÌNH ẢNH T2*(SWI) CỦA NÃO |
Xuất hiện bệnh lý trên hình ảnh có trọng số T2* (ngôi sao T2)
- Xuất huyết: Các sản phẩm của máu, đặc biệt là deoxyhemoglobin và hemosiderin, tạo ra từ trường không đồng nhất, dẫn đến giảm tín hiệu hoặc “nở” trên hình ảnh có trọng lượng T2*. Điều này đặc biệt hữu ích để phát hiện các vi xuất huyết.
- Vôi hóa: Vôi hóa là một nguồn phổ biến khác gây ra sự khác biệt về độ nhạy từ tính. Giống như xuất huyết, chúng gây ra hiện tượng giảm tín hiệu trên hình ảnh T2*.
- Cấu trúc tĩnh mạch: Máu khử oxy trong tĩnh mạch có tính thuận từ và có thể gây mất tín hiệu trên hình ảnh có trọng lượng T2*, khiến chúng dễ thấy hơn. Điều này được khai thác trong Hình ảnh có trọng số nhạy cảm (SWI), một biến thể của hình ảnh T2*.
- Lắng đọng sắt: Một số tình trạng nhất định, như bệnh nhiễm sắc tố sắt mô hoặc truyền máu nhiều lần, dẫn đến việc dự trữ quá nhiều sắt trong các mô. Sắt có tính thuận từ và có thể gây mất tín hiệu rõ rệt trên hình ảnh có trọng lượng T2*, đặc biệt là ở các cơ quan như gan hoặc não.
- Khối u: Một số khối u có thể gây ra hiện tượng không đồng nhất tại chỗ do xuất huyết, vôi hóa hoặc các thay đổi mô khác và có thể có hình dạng rõ ràng trên hình ảnh T2*.
- Giao diện mô-không khí và mô xương: Tại các ranh giới này, có sự khác biệt đáng kể về độ nhạy từ tính, điều này có thể dẫn đến các khoảng trống tín hiệu hoặc tạo tác giả trên hình ảnh có trọng số T2*.
Hình ảnh T2* (SWI) của xuất huyết não
|
HÌNH ẢNH T2*(SWI) CỦA NÃO |
HÌNH ẢNH T2*(SWI) CỦA NÃO |
T2* (sao T2) Hình ảnh xuất huyết não
|
HÌNH ẢNH T2*(HEMO) CỦA NÃO |
HÌNH ẢNH T2*(HEMO) CỦA NÃO |
Người giới thiệu
- Haacke, EM, Xu, Y., Cheng, YCN, & Reichenbach, JR (2004). Hình ảnh có trọng số độ nhạy cảm (SWI). Cộng hưởng từ trong y học, 52(3), 612-618.
- Reichenbach, JR, & Haacke, EM (2001). Hình ảnh chụp tĩnh mạch ĐẬM độ phân giải cao: một cửa sổ vào chức năng não. NMR trong Y sinh: Tạp chí Quốc tế dành cho việc Phát triển và Ứng dụng Cộng hưởng Từ ở Vivo, 14(7-8), 453-467.
- Rauscher, A., Sedlacik, J., Barth, M., Mentzel, HJ, & Reichenbach, JR (2005). Hình ảnh pha MR có trọng số nhạy cảm từ tính của não người. Tạp chí X quang thần kinh Hoa Kỳ, 26(4), 736-742.
- Anderson, LJ và cộng sự. (2001). “Đo lượng sắt trong gan bằng chụp cộng hưởng từ ở quần thể bệnh Thalassemia ở Anh.” Tạp chí cộng hưởng từ tim mạch.