BRAINPhase-Sensitive T1 Inversion R

BRAIN
Phase-Sensitive T1 Inversion Recovery Imaging: A Time-Efficient Interleaved Technique for Improved Tissue Contrast in Neuroimaging
Ping Houa, Khader M. Hasana, Clark W. Sittona, Jerry S. Wolinskyb and Ponnada A. Narayanaa
+ Author Affiliations

aDepartment of Diagnostic and Interventional Imaging, University of Texas Medical School at Houston, Houston, TX
bDepartment of Neurology, University of Texas Medical School at Houston, Houston, TX
Address correspondence to Ping Hou, PhD, Department of Diagnostic and Interventional Imaging, University of Texas Medical School at Houston, 6431 Fannin Street, MSB 2.100, Houston, TX 77030

Next Section
Abstract

BACKGROUND AND PURPOSE: High tissue contrast and short acquisition time are desirable when scanning patients. The purpose of this report is to describe the implementation of a new technique for generating high gray matter (GM) and white matter (WM) contrast in a short scan time, make a quantitative evaluation of the contrast efficiency, and explore its potential applications in neuroimaging.

METHOD: A fully interleaved T1-weighted inversion recovery (T1IR) sequence with phase-sensitive reconstruction (PS-T1IR) is implemented. This sequence is compared with conventional T1-weighted spin-echo imaging (T1SE) and T1-weighted fluid-attenuated inversion recovery (T1FLAIR). The time efficiency and contrast enhancement have been quantitatively analyzed in normal volunteers. The performance of the sequence is evaluated in >30 patients with neurologic disorders. The sensitivity of PS-T1IR relative to T1SE in detecting gadolinium enhancements is also evaluated.

RESULTS: PS-T1IR is more time-efficient than T1SE and generates better GM-WM contrast. It results in the best contrast-to-noise ratio (CNR) efficiency (1.16) compared with T1FLAIR (0.73) and T1SE (0.23). For a typical clinical protocol, PS-T1IR takes only 1:30 minutes versus 2:40 minutes for T1SE imaging for the whole brain coverage. Although gadolinium enhancements are detected with comparable sensitivity on both PS-T1IR and T1SE sequences, in certain instances, the latter sequence appears to be more sensitive in demonstrating gadolinium enhancements within WM.

CONCLUSION: PS-T1IR has the highest CNR efficiency compared with T1FLAIR and T1SE. It is a very practical technique for neuroradiologic applications.

Inversion recovery (IR) sequences are commonly used to suppress the MR signal intensity from CSF (1–2) or fat; the so-called fluid-attenuated inversion recovery (FLAIR) and short tau inversion recovery (STIR) sequences (3), respectively. In addition to suppressing specified tissues, IR pulse sequences can generate T1-weighted images with an intermediate inversion time (TI) of 600–1,200 milliseconds. Several studies have also demonstrated that IR provides superior contrast and greater sensitivity in detecting gadolinium (Gd) contrast enhancement than conventional spin-echo (SE) sequences (4–8). STIR generates high-contrast T1-, T2-, and proton density-weighted images by nulling the fat signal. Like most IR sequences, however, STIR requires long acquisition time, even when combined with the fast spin-echo (FSE) readout. A time-efficient interleaved technique was proposed by Listerud et al (9) for acquiring T2-weighted FLAIR (T2FLAIR) images. In their technique, section excitation and acquisition were both interleaved during the TI and TR periods. This interleaved technique can be adapted for acquiring T1-weighted image. With this truly section and time interleaved technique, the contrast between white matter (WM) and gray matter (GM) is improved by suppressing CSF. Because the T1-weighted FLAIR (T1FLAIR) images are generated by magnitude reconstruction, gain in the image contrast, however, remains limited. Moreover, the images appear blurred compared with conventional T1-weighted SE (T1SE) images. Therefore, despite its speed and robustness, T1FLAIR did not gain wide acceptance in the radiologic community, and T1SE continues to be the sequence of choice for generating T1-weighted images.

Central to all the inversion recovery sequences is the application of an inversion radio-frequency (RF) pulse that flips the longitudinal magnetization from the +z to the −z direction. The magnetization can, therefore, be positive or negative, depending on the TI and tissue T1 values and the time at which the readout sequence is applied. By preserving the sign of the MR signal intensity, the image contrast can be enhanced by selecting appropriate TI value (10, 11). The benefits of the phase-sensitive reconstruction in IR are well known (10–18). Its application, however, has been limited by the artifacts from phase errors and long scan times. The sources of phase errors include non-centering of the echo in the readout window because of errors in the pulse sequence timing and phase-encoding steps, phase shifts from hardware such as bandwidth filters, variation in the patient loading, and coil sensitivity. Different phase-correction strategies, including acquisition of a reference image (16, 17) and estimation of phase from local statistics (10, 11, 15), have been investigated. In this article, we apply the phase-sensitive reconstruction to an interleaved T1-weighted IR pulse sequence (PS-T1IR) for generating images with high tissue contrast in a short scan time and demonstrate its application in neuroimaging.

Previous Section
Next Section
Methods

Theory
The signal intensity amplitude in an IR sequence (19) can be written as
Formula

where ρ is the water proton spin density and the other symbols have their usual meaning. The T1 weighting is determined by the expression in the parenthesis and we refer to this as the T1-weighted factor. It can be seen from the above expression that the T1 contrast in an IR sequence is different from that of the SE sequence. The T1-weighted factor is a function of both TR and TI, which are user-selectable and is negative for a short TI and positive for long TI. The advantage of the phase-sensitive reconstructed IR is that the range of the T1-weighted factor is from −1 to 1 instead of 0 to 1 in a T1SE sequence. This increased dynamic range provides greater T1 contrast for different tissues. Because, in practice, TR is not infinite, the actual dynamic range is within −(1 − exp[−TR/T1]) to (1 − exp[−TR/T1]). The traditional magnitude reconstruction in the IR sequence automatically restricts the range of the T1-weighted factor from 0 to (1 − exp[−TR/T1[), and has the potential disadvantage of compromising the contrast between tissues, depending on the value of TI, as demonstrated in Figure 1. It can be observed from Figure 1 that, if the inversion time is set between 400–500 milliseconds, the WM and GM have opposite magnetizations; their contrast in the magnitude-reconstructed images appears minimal. In addition to the potential loss of contrast, magnitude IR images also suffer from the dark line artifact that appears at the tissue borders where the positive and negative signals cancel. The phase-sensitive reconstruction not only suppresses this dark line artifact, but also provides improved GM-WM contrast and hypointense CSF signal intensity, because it has a large negative magnetization.

Fig 1.
View larger version:
In this page In a new window
Download as PowerPoint Slide
FIG 1.
Behavior of longitudinal magnetization as a function of inversion time before the application of the read-out sequence. The parameters used in these simulations are TR, 2250 milliseconds; T1WM, 600 milliseconds; T1GM, 920 milliseconds; and T1CSF, 4200 milliseconds.

The fully interleaved T1IR sequence is shown in Figure 2. If the minimum sequence play out time is defined as Tmin, which includes the inversion RF pulse, crusher gradients, and FSE data acquisition time, the number of sections covered during inversion time (TI) is TI/Tmin, and the total number of sections in one repetition time (TR) is TR/Tmin. The number of sections covered in TI and TR is truncated to an integer and is further reduced because of the hardware idle time requirements (gradient recovery, delay between the transmitter inactivation and receiver activation, and so forth) and RF safety limitations. Each IR pulse is followed by a readout sequence (FSE, in this case) with a different excitation frequency for specific section location. There is no dead time left in the pulse sequence. This is an optimal approach for time and section interleaving.

Fig 2.
View larger version:
In this page In a new window
Download as PowerPoint Slide
FIG 2.
Timing diagram of the T1IR sequence. In this diagram, the number of sections packed in one TI is 3, and the maximum number of sections covered in one TR is 7. The upper part shows the interleaved scheme, and the lower part shows how the IR and FSE integrate tightly in timing. Tmin is the time of IR, crusher gradient (in the phase encoding direction) and the FSE acquisition time. If the number of sections packed in the TI is less than the maximum sections allowed, there is a delay time added between crusher gradient and the FSE, and Tmin stays the same.

Subject and Protocols
Five healthy volunteers were scanned with T1SE, T1FLAIR, and PS-T1IR sequences. Both T1SE and PS-T1IR images were acquired on 30 patients with neurologic diseases. Twenty of these patients were administered Gd–diethylene triamine pentaacetic acid as a part of the diagnostic procedure. All volunteers signed the consent form before scanning, in accordance with our institutional regulations.

All scans were performed on a GE 1.5T Signa system (GE Medical Systems, Waukesha, WI) equipped with a gradient system capable of generating maximum gradient amplitude of 40 mT/m per channel with a slew rate of 150 mT/m/msec. A standard quadrature head coil was used for RF transmission and reception. This sequence is based on the GE sequence, T1FLAIR. An adiabatic inversion pulse was used, because it is less sensitive to B1 field inhomogenei

Kết quả (Việt) 1:

NÃOGiai đoạn nhạy cảm T1 đảo ngược phục hồi hình ảnh: Một thời gian-hiệu quả Interleaved kỹ thuật để cải thiện mô tương phản trong NeuroimagingPing Houa, Khader M. Hasana, Clark W. Sittona, Jerry S. Wolinskyb và ninh A. Narayanaa+ Tác giả chi nhanhaDepartment chẩn đoán và can thiệp hình ảnh, đại học y tế Texas tại Houston, Houston, TXbDepartment của thần kinh học, đại học y tế Texas tại Houston, Houston, TXĐịa chỉ thư từ để Ping Hou, tiến sĩ, vùng chẩn đoán và can thiệp hình ảnh, đại học y tế Texas tại Houston, 6431 Fannin Street, MSB 2.100, Houston, TX 77030 Phần kế tiếpTóm tắtNỀN và mục đích: Độ tương phản cao mô và mua lại ngắn thời gian là mong muốn khi quét bệnh nhân. Mục đích của báo cáo này là để mô tả việc thực hiện của một kỹ thuật mới để tạo ra chất xám cao (GM) và chất trắng (WM) tương phản trong một thời gian ngắn quét, làm cho một đánh giá định lượng hiệu quả tương phản, và khám phá các ứng dụng tiềm năng trong neuroimaging.Phương pháp: Một trình tự phục hồi (T1IR) hoàn toàn xen kẽ T1-trọng đảo ngược với tái tạo giai đoạn nhạy cảm (PS-T1IR) được thực hiện. Trình tự này được so sánh với hình ảnh thông thường làm nặng T1 spin-echo (T1SE) và phục hồi trọng T1 attenuated chất lỏng đảo ngược (T1FLAIR). Thời gian hiệu quả và tăng cường độ tương phản đã được phân tích theo trong tình nguyện viên bình thường. Hiệu suất của dãy được đánh giá ở > 30 bệnh nhân bị rối loạn thần kinh. Sự nhạy cảm của PS-T1IR so với T1SE trong việc phát hiện gadolini cải tiến cũng được đánh giá.Kết quả: PS-T1IR là hơn thời gian hiệu quả hơn T1SE và tạo ra tốt hơn GM-WM tương phản. Nó kết quả trong tốt nhất tỷ lệ tương phản nhiễu (CNR) hiệu quả (1.16) so với T1FLAIR (0,73) và T1SE (0,23). Cho một giao thức lâm sàng điển hình, PS-T1IR chỉ mất 1 h 30 phút so với 2:40 phút cho T1SE hình ảnh cho phạm vi bảo hiểm toàn bộ não. Mặc dù gadolini cải tiến được phát hiện với so sánh nhạy cảm trên cả PS-T1IR và T1SE trình tự, trong một số trường hợp, trình tự sau này dường như là nhạy cảm hơn trong việc chứng minh gadolini cải tiến trong WM.Kết luận: Các PS-T1IR có hiệu quả CNR cao nhất so với T1FLAIR và T1SE. Nó là một kỹ thuật rất thực tế cho các ứng dụng neuroradiologic.Đảo ngược trình tự phục hồi (IR) thường được sử dụng để ngăn chặn cường độ tín hiệu của ông từ CSF (1-2) hoặc chất béo; phục hồi cái gọi là đảo ngược attenuated chất lỏng (FLAIR) và ngắn tàu đảo ngược trình tự phục hồi (KHUẤY) (3), tương ứng. Ngoài việc đàn áp trong việc chỉ định mô, IR xung chuỗi có thể tạo ra hình ảnh trọng T1 với thời gian trung gian đảo ngược (TI) của 600-1.200 mili giây. Một số nghiên cứu cũng đã chứng minh rằng IR cung cấp độ tương phản cao và nhạy cảm trong việc phát hiện việc tăng cường độ tương phản gadolini (Gd) hơn thông thường quay-echo (SE) chuỗi (4-8). KHUẤY tạo ra tương phản cao T1, T2-, và proton trọng mật độ ảnh bởi nulling tín hiệu chất béo. Giống như hầu hết IR trình tự, Tuy nhiên, KHUẤY yêu cầu mua lại dài thời gian, ngay cả khi kết hợp với readout nhanh chóng quay-echo (FSE). Một kỹ thuật interleaved thời gian hiệu quả được đề xuất bởi Listerud et al (9) để có được hình ảnh trọng T2 FLAIR (T2FLAIR). Trong kỹ thuật của họ, phần kích thích và mua lại đã được cả hai xen kẽ trong các thời kỳ TI và TR. Kỹ thuật interleaved này có thể được điều chỉnh để có được trọng T1 hình ảnh. Với điều này thực sự phần và thời gian xen kẽ kỹ thuật, sự tương phản giữa chất trắng (WM) và chất xám (GM) được cải thiện bởi đàn áp CSF. Bởi vì những hình ảnh làm nặng T1 FLAIR (T1FLAIR) được tạo ra bởi độ lớn tái thiết, đạt được trong sự tương phản của hình ảnh, Tuy nhiên, vẫn còn hạn chế. Hơn nữa, những hình ảnh xuất hiện mờ so với thông thường làm nặng T1 SE (T1SE) hình ảnh. Vì vậy, mặc dù có tốc độ và mạnh mẽ, T1FLAIR đã không đạt được sự chấp nhận rộng trong cộng đồng x quang, và T1SE tiếp tục là trình tự của sự lựa chọn để tạo ra hình ảnh trọng T1.Trung tâm của tất cả các đảo ngược trình tự phục hồi là việc áp dụng một xung tần số vô tuyến (RF) đảo ngược flips từ hóa theo chiều dọc từ các + z để hướng −z. Từ hóa vì vậy, có thể tích cực hay tiêu cực, tùy thuộc vào TI và giá trị mô T1 và thời gian mà tại đó các dãy readout được áp dụng. Bởi bảo quản các dấu hiệu của cường độ tín hiệu của ông, độ tương phản hình ảnh có thể được tăng cường bằng cách chọn giá trị thích hợp TI (10, 11). Những lợi ích của việc xây dựng lại giai đoạn nhạy cảm ở IR là nổi tiếng (10-18). Ứng dụng của nó, Tuy nhiên, đã được giới hạn bởi các hiện vật từ giai đoạn lỗi và thời gian dài quét. Các nguồn của giai đoạn lỗi bao gồm phòng không tập trung của tiếng vang trong cửa sổ readout do lỗi trong pulse trình tự thời gian và giai đoạn mã hóa bước, giai đoạn thay đổi từ phần cứng như băng thông bộ lọc, các biến thể ở bệnh nhân lực nâng, và cuộn nhạy cảm. Chiến lược giai đoạn-chỉnh khác nhau, bao gồm cả việc mua lại của một hình ảnh tham khảo (16, 17) và dự toán của giai đoạn từ số liệu thống kê địa phương (10, 11, 15), đã được nghiên cứu. Trong bài này, chúng tôi áp dụng cải tạo giai đoạn nhạy cảm để trọng T1 IR interleaved xung trình tự (PS-T1IR) để tạo ra hình ảnh với độ tương phản cao mô trong ngắn hạn một quét thời gian và chứng minh trong neuroimaging.Phần trướcPhần kế tiếpPhương phápLý thuyếtBiên độ cường độ tín hiệu trong một chuỗi IR (19) có thể được viết dưới dạngCông thứcnơi ρ là mật độ spin proton nước và các ký hiệu khác có ý nghĩa thông thường của họ. Các nặng T1 được xác định bởi các biểu hiện trong ngoặc đơn và chúng tôi tham khảo này như là yếu tố trọng T1. Nó có thể được nhìn thấy từ biểu thức trên tương T1 trong một chuỗi IR là tách biệt nó khỏi dãy Tây Bắc. Các yếu tố trọng T1 là một chức năng của TR lẫn TI, đó là lựa chọn người dùng và là âm tính với một TI ngắn và tích cực cho dài TI. Lợi thế của các giai đoạn cảm ứng dựng lại IR là phạm vi của các yếu tố trọng T1 là từ −1 đến 1 thay vì 0-1 trong một chuỗi T1SE. Tăng phạm vi năng động này cung cấp độ tương phản T1 lớn hơn cho các mô khác nhau. Bởi vì, trong thực tế, TR không phải là vô hạn, phạm vi năng động thực tế là trong vòng − (1 − exp[−TR/T1]) đến (1 − exp[−TR/T1]). Việc xây dựng lại tầm quan trọng truyền thống theo thứ tự IR tự động hạn chế phạm vi của các yếu tố trọng T1 từ 0 đến (1 − exp[−TR/T1[), và có những bất lợi tiềm năng của ảnh hưởng đến sự tương phản giữa các mô, tùy thuộc vào giá trị của TI, như thể hiện trong hình 1. Nó có thể được quan sát từ hình 1, nếu thời gian đảo ngược được thiết lập giữa 400-500 mili giây, WM và GM có đối diện với magnetizations; của họ tương phản trong độ lớn xây dựng lại hình ảnh xuất hiện tối thiểu. Ngoài khả năng mất độ tương phản, độ lớn IR hình ảnh cũng bị các artifact tối dòng xuất hiện tại biên giới mô nơi các tín hiệu tích cực và tiêu cực hủy bỏ. Tái tạo giai đoạn nhạy cảm không chỉ ngăn chặn các artifact tối dòng này, mà còn cung cấp cải tiến GM-WM tương phản và hypointense CSF tín hiệu cường độ, bởi vì nó có một từ hóa tiêu cực lớn.Hình 1.Xem phiên bản lớn hơn:Trong trang này trong một cửa sổ mớiTải xuống như PowerPoint SlideHÌNH 1.Hành vi của dọc từ hóa như là một chức năng đảo ngược thời gian trước khi áp dụng chuỗi read-out. Các tham số được sử dụng trong các mô phỏng là TR, 2250 mili-giây; T1WM, 600 mili-giây; T1GM, 920 mili-giây; và T1CSF, 4200 mili giây.Dãy T1IR đầy đủ interleaved minh họa trong hình 2. Nếu chơi tự tối thiểu trong thời gian được định nghĩa là Tmin, bao gồm đảo ngược RF xung, Máy nghiền gradient và FSE dữ liệu mua lại thời gian, số lượng các phần được bảo hiểm trong thời gian đảo ngược (TI) là TI/Tmin, và tổng số phần trong sự lặp lại một thời gian (TR) là TR/Tmin. Số lượng phần bao gồm trong TI và TR cắt ngắn để một số nguyên và tiếp tục giảm vì yêu cầu thời gian nhàn rỗi phần cứng (gradient phục hồi, sự chậm trễ giữa ngừng hoạt động truyền và nhận kích hoạt, và vv) và RF an toàn giới hạn. Mỗi xung IR theo sau một chuỗi readout (FSE, trong trường hợp này) with a tần số khác nhau kích thích cho vị trí phần cụ thể. Có là không có thời gian chết còn lại trong chuỗi xung. Đây là một phương pháp tối ưu cho thời gian và phần cách.Hình 2.Xem phiên bản lớn hơn:Trong trang này trong một cửa sổ mớiTải xuống như PowerPoint SlideHÌNH 2.Thời gian các sơ đồ của dãy T1IR. Trong biểu đồ này, số lượng các phần đóng gói trong một TI là 3, và số phần được bảo hiểm trong một TR, tối đa là 7. Phần trên cho thấy các đề án interleaved, và phần dưới cho thấy làm thế nào các IR và FSE tích hợp chặt chẽ trong thời gian. Tmin là khi IR, chiếc máy ép gradient (trong giai đoạn mã hóa hướng) và thời gian mua lại FSE. Nếu số lượng phần đóng gói trong TI ít hơn các phần tối đa cho phép, có một thời gian chậm trễ thêm vào giữa chiếc máy ép gradient và FSE, và Tmin vẫn như nhau.Chủ đề và các giao thứcNăm tình nguyện viên khỏe mạnh đã được quét với T1SE, T1FLAIR, và PS-T1IR. Hình ảnh T1SE và PS-T1IR đã được mua lại trên 30 bệnh nhân bị bệnh thần kinh. Hai mươi của những bệnh nhân đã là quản lý Gd-diethylene triamine pentaacetic acid là một phần của các thủ tục chẩn đoán. Tất cả các tình nguyện viên ký kết các hình thức sự đồng ý trước khi quét, phù hợp với quy định tổ chức của chúng tôi.Quét tất cả đã được thực hiện trên một GE 1.5T Signa hệ thống (hệ thống y tế GE, Waukesha, WI) được trang bị với một hệ thống gradient khả năng tạo ra tối đa biên độ gradient 40 mT/m một kênh với một tỷ lệ quay 150 mT/m/msec. Một cuộn dây đầu quadrature tiêu chuẩn được sử dụng cho bộ truyền động RF và quầy lễ tân. Trình tự này dựa trên trình tự GE, T1FLAIR. Một đảo ngược đồng xung được sử dụng, bởi vì nó là ít nhạy cảm với B1 lĩnh vực inhomogenei