FISIKA IMEJING MRI,

Ruang K, akuisisi data dan rekonstruksi citra

 Data MR awalnya disimpan dalam matrix ruang k, yang merupakan “frequensi domain”.  Ruang k menyatakan matrix 2 dimensi dari harga frekuensi spasial postif dan negatif, dan ditandai dengan bilangan kompleks (a + bi, dengan i = ). Matrix dibagi menjadi 4 kuadran, dengan titik asal pada pusat matrix mempunyai frekuensi = 0. Data pada domain frekuensi ditandai dengan arah k_x oleh FEG (frequency encoded gradient) dan pada arah k_y  oleh PEG (phase encoded gradient) yang diisi berurutan dalam pembentukan citra. Metode lain untuk pengisian data pada ruang k adalah metoda spiral. Frekuensi fundamental, merupakan tambahan frekuensi spasial terrendah merupakan bandwith pada setiap pixel. Frekuensi maksimum yang dipakai (Nyquist frequency) sama dengan ½ jangkauan frekuensi sepanjang arah k_x ataupun k_y, mengingat  frekuensi ditandai oleh –f_max dan +f_max. Sifat periodic frekuensi dinyatakan sebagai “simetri’ dan “antisimetri” sesuai dengan fungsi sinus dan cosinus. “Real”, “imaginair”, dan “magnitude” menyatakan sifat spesifik fase dan amplitudo bentuk gelombang frekuensi. Akuisisi parsial matrix ruang k dimungkinkan (misalnya akuisisi setengah data ditambah satu garis), sedangkan sisanya diisi dengan sistem complex-conjugate symmetry.

 Akuisisi data 2 dimensi

Frekuensi data yang dideposit ke dalam matriks ruang k, merupakan gelombang sinus 3 siklus per unit jarak dalam arah frekuency encode yang diulang untuk setiap baris, sampai seluruh ruang terisi.

Akuisisi data mengikuti urutan sebagai berikut.

1. Pulsa eksitasi RF dengan pita sempit diaplikasikan simultan dengan SSG (slice select gradient). Energi absorpsi tergantung pada amplitudo dan durasi pulsa RF pada resonansi. Magnetisasi longitudinal diubah menjadi magnetisasi transversal. Pulsa 90⁰ mengubah magnetisasi longitudinal menjadi magnetisasi transversal maksimum.
2. Fase encode gradient (FED) diaplikasikan dalam durasi pendek untuk membentuk perbedaan fase semua spin sepanjang arah sandi fase (phase encode direction), yang berarti pada arah k_y.
3. Pulsa refocus RF 180⁰ diberikan setelah waktu tunda TE/2 yang telah dipilih. Pulsa ini membalikkan arah individual spin sehingga diperoleh koherensi magnetisasi tranversal dengan pembentukan echo pada waktu TE.
4. Selama pembentukan echo yang diikuti oleh peluruhan, frequency encode gradient diaplikasikan tegak lurus pada arah PEG dan SSG. 
5. Bersamaan dengan aplikasi FEG dan pembentukan echo, komputer memperoleh signal time-domain dengan menggunakan ADC (analog to digital converter). Laju sampling tergantung pada eksitasi bandwidth. Transformasi Fourier satu dimensi mengubah data digital menjadi harga frekuensi diskrit yang sesuai dengan amplitudo. Frekuensi presesi proton menentukan posisi sepanjang arah k_x.
6. Data dideposit dalam matriks ruang k sebagai baris, yang ditentukan oleh kekuatan PEG yang diaplikasikan. Penambahan PEG selama akuisisi mengisi satu baris pada setiap waktu.
7. Transformasi invers Fourier 2 dimensi memberi sandi pada frequency domain sepanjang baris dan kolom pada ruang k. Karakteristik spasial dan kontras ditunjukkan ke dalam citra.
8. Citra final merupakan representasi spasial densitas proton, T1, T2 jaringan, dan karakteristik aliran yang ditunjukkan dengan menggunakan gray-scale range. Setiap piksel mewakili satu voksel, ketebalan irisan ditentukan oleh kekuatan SSG dan frekuensi bandwidth RF.

Pusat ruang k berisi informasi spasial dengan frekuensi relatif rendah, sedangkan daerah pinggir berisi informasi dengan frekuensi lebih tinggi. Informasi dekat pusat ruang k memberikan kontras pada daerah luas dalam citra, sedangkan daerah pinggir ruang k berkontribusi pada resolusi dan detail.

Akuisisi multiplanar dua dimensi

Bidang aksial, coronal, sagital, atau oblique dapat diperoleh dengan aktivasi gradien magnet yang sesuai selama akuisisi data. Slice encode gradient menentukan arah irisan, untuk aksial menggunakan lilitan bersumbu z, untuk coronal menggunakan lilitan bersumbu y, dan untuk sagital menggunakan lilitan bersumbu x. Irisan miring menggunakan kombinasi lilitan bersumbu x, y, dan z secara simultan. Arah gradien sandi fase dan frekuensi diberikan tegak lurus pada arah SEG (slice encode gradient).

Waktu akuisisi, 2DFT spin echo imaging

Waktu yang dibutuhkan untuk memperoleh citra

TR x No. of phase encode steps x No. of signal averages

Sebagai contoh, suatu deretan spin echo untuk matriks citra 256 x 192 dan dua rerata per langkah sandi fase dengan TR = 600 msec, waktu pencitraan diperkirakan 0.6 sec x 192 x 2 = 230.4 sec. = 3.84 menit. Arah sandi fase diberikan pada sepanjang dimensi matriks yang lebih kecil, untuk mengurangi waktu akuisisi, namun mengurangi resolusi spasial citra akibat matriks citra yang lebih kecil.

Akuisisi data multislice

Waktu rata-rata per slice dapat diperpendek dengan metoda akuisisi multiple slice. Beberapa irisan volume jaringan diaktivasi selama waktu TR menggunakan waktu tunggu untuk pertumbuhan magnetisasi longitudinal pada irisan spesifik. Dalam metoda akuisisi multislice ini diperlukan siklus semua gradien dan pulsa RF selama interval TR. Total jumlah irisan tergantung pada TR, TE, dan keterbatasan sistem alat.

Jumlah total irisan = TR/(TE + C)

C merupakan konstanta yang ditentukan oleh kemampuan alat. Akuisis dengan TR panjang seperti pembobotan densitas proton dan T2 memberikan jumlah irisan relatif lebih banyak dibanding dengan pembobotan T1 dengan TR pendek.

Data sintesis

Data sintesis memanfaatkan simetri dan sifat berlebihan pada frequency domain signals dalam ruang k. Akuisisi setengah ruang k ditambah satu baris memungkinkan mengisi sisa baris dalam ruang k dengan metoda complex-conjugate. Dengan demikian dapat mengurangi waktu akuisisi mendekati setengahnya. Penalti setengah Fourier ataupun teknik fraksional echo adalah pengurangan SNR (signal to noise ratio). Selain itu juga ketidaktelitian akibat inhomogenitas medan magnet, imperfect linear gradient fields, dan kehadiran magnetic susceptibility agents dalam volume yang dicitrakan.

Akuisisi fast spin echo

Teknik fast spin echo (FSE) menggunakan multiple langkah sandi fase yang berhubungan dengan multiple pulsa RF refocus 180⁰ per interval TR untuk menghasilkan deretan echo yang dapat mencapai 16 echo. Pada umumnya echo pertama untuk memperoleh daerah pusat ruang k, echo berikutnya untuk daerah yang dipisahkan dengan jarak waktu echo sama terhadap echo pertama, dan echo terakhir untuk memperoleh daerah yang paling jauh dari daerah pusat. Keuntungan teknik FSE, immune terhadap inhomogenitas medan magnet, dan waktu akuisisi lebih cepat. Namun setiap echo mengalami besar peluruhan T2 berbeda, mengakibatkan kontras citra berbeda dibanding dengan citra konvensional dengan TR dan TE yang sama. Tingkat signal rendah pada akhir echo menghasilkan SNR lebih rendah, dan citra lebih sedikit dalam volume citra dengan waktu akuisisi yang sama. Sebagai contoh, pencitraan spin echo dengan pembobotan T2 (TR = 2000 msec, 256 phase encode steps, one average) memerlukan waktu 8.5 menit, sedangkan dengan teknik FSE dengan deretan 4 echo membutuhkan waktu 2.1 menit.

Akuisisi inversion recovery

Urutan pulsa inversion recovery menggunakan pulsa RF awal 180⁰ dalam mengeksitasi irisan jaringan untuk membalikkan spin. Pulsa 90⁰ kemudian diaplikasikan setelah penundaan T1 untuk mengubah magnetisasi longitudinal menjadi magnetisasi transversal. Pulsa 180⁰ kedua diberikan setelah TE/2 untuk mengubah spin dan menghasilkan echo pada saat TE setelah pemberian pulsa 90⁰. Selama eksitasi RF, SSG diaplikasikan untuk lokalisasi spin pada bidang yang diinginkan. Bila TR panjang (misalnya 3000 msec.), beberapa irisan dapat diperoleh dari volume yang diinginkan. Biasanya deretan pulsa STIR (short tau inversion recovery) dan FLAIR (fluid attenuated inversion recovery) dalam teknik ini.

Akuisisi gradient recalled echo

Urutan pulsa gradient recalled echo (GRE) sama dengan deretan spin echo standar dengan kebalikan readout gradient (FEG) menggantikan pulsa 180⁰. Pengulangan urutan akuisisi terjadi untuk setiap langkah PEG dan setiap average. Dengan sudut putar (flip) kecil dan gradient reversal, dimungkinkan untuk reduksi TR dan TE, sehingga memperpendek waktu akuisisi citra. Pulsa pembalik PEG dengan polaritas berlawanan diaplikasikan untuk menjaga hubungan fase pulsa ke pulsa.

Waktu akuisisi yang dibutuhkan dalam GRE sama dengan

TR x No. of phase encode steps x No. of signal averages

Sebagai contoh urutan gradien echo untuk 256 x 192 matriks citra, 2 averages, dan TR = 30 msec., waktu pembentukan citra sekitar 192 x 2 x 0.03 sec. = 15.5 sec. Bandingkan dengan konvensional spin echo yang memerlukan waktu 3.84 menit untuk TR = 600 msec. Teknik GRE mempunyai kekurangan, penurunan SNR, kurang immune terhadap inhomogenitas medan magnet, dan magnetic susceptibility artefact.

Akuisisi citra echo planar (echo planar image, EPI)

Akuisisi echo planar image merupakan teknik pencitraan dengan waktu sangat cepat. Single shot atau multishot digunakan dalam teknik EPI. Single shot (seluruh pembentukan citra dilakukan dalam satu interval TR) akuisisi citra dimulai dengan standar pulsa putar 90⁰, kemudian aplikasi gradien PEG/FEG untuk mengawali akuisisi data dari baris paling pinggir ruang k, diikuti oleh pulsa RF 180⁰ pembentuk echo. Secepatnya blip (percikan) readout gradient (FEG) dan phase echo gradient diaplikasikan secara kontinu untuk stimulasi pembentukan echo dan secepatnya bertahap mengisi ruang k dengan pola “zig-zag”.Waktu echo efektif terjadi pada waktu TE, pada saat amplitudo gradient echo maksimum terjadi. Akuisisi data harus berlangsung dalam waktu lebih pendek dari T2* (sekitar 25 sampai 50 msec), yang memerlukan laju sampling tinggi, lilitan gradien khusus (shielded coils untuk menghindari arus eddy), keterbatasan RF transmitter/ receiver, dan keterbatasan deposisi energi RF.

Citra EPI mempunyai SNR rendah, resolusi rendah (umumnya mempunyai ukuran matriks 64 x 64 atau 128 x 64), banyak artifact, khususnya chemical shift dan yang berasal dari suceptibilitas magnetic. Teknik ini dapat digunakan untuk pencitraan real time snap-shot yang memerlukan waktu total kurang dari 50 msec. Dalam klinis, EPI merupakan suatu teknik untuk mempelajari pencitraan proses dan fungsi fisiologi yang time-dependent. Akuisisi multishot planar echo dengan spin echo readout atau gradient recalled echo juga dapat digunakan.

Pencitraan cepat lain dapat dilakukan dengan menggunakan interval TR sekitar 3 msec., yang dapat dimanfaatkan untuk evaluasi jantung. 

Akuisisi spiral ruang k

Metoda alternatif untuk mengisi matriks ruang k berhubungan dengan osilasi PEG dan FEG dalam sampling data titik selama pembentukan echo dalam bentuk spiral, diawali dari pusat (pusat ruang k) dan secara spiral keluar ke daerah pinggir. Setelah akuisisi data selesai, tambahan langkah postprocessing dan regridding diperlukan untuk mengkorvensi data spiral menjadi data rectilinear matrix 2DFT.

Gradient moment nulling

Dalam pencitraan spin echo dan gradient recalled echo, SEG dan FEG diseimbangkan sehingga defase uniform dengan aplikasi awal gradien direfase oleh gradien polaritas berlawanan dengan luas sama. Namun bila spin yang bergerak diberi gradien magnet, sejumlah dispersi fase tidak dapat dikompensasikan. Dipersal fase demikian dapat menimbulkan ghost artifact pada citra. Untuk refase spin digunakan tehnik gradient moment nulling. Dengan kecepatan aliran konstan, semua spin dapat direfase dengan menggunakan suatu gradien triplet. Dalam tehnik ini satu unit luas gradien positif awal diikuti oleh dua unit luas gradien negatif, menimbulkan perubahan fase yang dikompensasikan oleh satu unit luas gradien positif ketiga. Tehnik moment nulling dapat dipakai pada SSG dan FEG untuk mengoreksi masalah gerakan, seperti pada aliran pulsatif CSF (cerebrospinal fluid).

Akuisisi citra Fourier transform 3 dimensi

Akuisisi citra 3 dimensi memerlukan pita lebar, pulsa nonselective untuk mengeksitasi spin dalam volume dengan jumlah banyak secara simultan. Dua gradien fase diaplikasikan secara diskrit dengan arah sandi irisan dan sandi fase, mendahului FEG. Waktu akuisisi citra sama dengan

TR x No. of phase encode steps (z axis) x No. of phase encode steps (y axis) x No. of signal averages

Volume dapat isotropik (ketiga ukuran sisi sama) atau anisotropik (paling ukuran satu sisi berbeda). Keuntungan volume isotropic memberikan resolusi sama pada semua arah. Bila menggunakan standar TR 600 msec dengan satu average untuk pemeriksaan pembobotan T1, volume 128 x 128 x 128, memerlukan waktu 163 menit (mendekati 2.7 jam). Dengan deretan pulsa GRE dan TR 50 msec diperoleh citra sama dengan waktu 15 menit. Cara untuk memperpendek waktu dengan voxel anisotropik, sehingga tahapan phase encode pada salah satu arah dikurangi, meskipun dengan akibat pengurangan resolusi.