Sekuen Spin Echo pada Modalitas MRI

Sekuen Spin Echo merupakan manifestasi dari eksitasi proton yang mengalami magnetisasi dalam sampel dengan pulsa RF 90° dan menghasilkan FID, diikuti oleh pulsa RF 180° pemfokusan ulang untuk menghasilkan echo. Pulsa sekuen 90° mengubah Mz menjadi Mxy dan menciptakan magnetisasi transversal fase koherensi terbesar yang mulai meluruh pada kecepatan relaksasi T2*.

Pulsa RF 180° diterapkan pada TE/2, membalikkan keadaan proton yang berputar dan menginduksi fase koherensi pada TE. Pembalikan keadaan proton yang berputar menyebabkan proton mengalami variasi medan magnet eksternal yang berlawanan dengan TE/2 sebelumnya yang mengakibatkan pembatalan inhomogenitas ekstrinsik dan efek dephasing.

Vektor magnetisasi echo mereformasi dalam arah yang berlawanan dari vektor magnetisasi transversal awal. Berikut adalah Gambar 1 karakteristik sinyal pada sekuen spin echo:

Gambar 1. Pulsa sekuen Spin Echo dimulai dengan pulsa 90° dan menghasilkan FID yang meluruh sesuai dengan relaksasi T2*. Setelah waktu delay TE/2, pulsa RF 180° membalikkan spin proton yang membangun kembali fase koherensi dan menghasilkan echo pada waktu TE. Inhomogenitas medan magnet eksternal diabaikan dan amplitudo puncak echo ditentukan oleh peluruhan T2. Evolusi vektor echo dalam arah yang berlawanan dari FID. Sekuen diulang untuk setiap periode pengulangan TR (Bushberg, 2012).

Pulsa RF 180° berikutnya selama interval TR menghasilkan echo yang sesuai dengan amplitudo puncak yang berkurang oleh peluruhan T2 intrinsik jaringan dan resistance terhadap inhomogenitas ekstrinsik. Pengambilan sampel digital dan akuisisi sinyal terjadi dalam jendela waktu yang simetris terhadap TE selama evolusi dan peluruhan setiap echo berlangsung (Bushberg, 2012). Berikut adalah Gambar 2 yang menjelaskan mengenai peluruhan T2 pada sekuen spin echo:

Gambar 2. Peluruhan T2 ditentukan dari beberapa pulsa pemfokusan 180° yang diperoleh selama periode pengulangan. Sementara FID meluruh dengan konstanta peluruhan T2*, amplitudo puncak echo berikutnya meluruh secara eksponensial berdasarkan konstanta peluruhan T2 karena inhomogenitas medan magnet ekstrinsik diabaikan (Bushberg, 2012).

Pembobotan Kontras pada Sekuen Spin Echo

Nilai kontras berbanding lurus dengan perbedaan intensitas sinyal antara pixel yang berdekatan dalam citra dengan voxel yang berbeda. Variasi intensitas sinyal untuk jaringan yang berbeda diatur berdasarkan pengaturan TR dan TE.

Dengan mengabaikan sinyal karena proton yang bergerak (seperti aliran darah), intensitas sinyal yang dihasilkan oleh sistem MRI untuk jaringan tertentu menggunakan sekuen Spin Echo adalah:

S \propto  r_{H}[1-e^{TR/T1}]e^{-TE/T2}

r_H adalah kerapatan proton, T1 dan T2 adalah sifat fisik jaringan, serta TR dan TE adalah parameter waktu pulsa sekuen. Untuk pulsa sekuen yang sama, nilai T1, T2, dan r_H yang berbeda menyebabkan perubahan intensitas sinyal (S), dan menghasilkan kontras di antara jaringan yang berbeda. Dengan mengubah parameter pulsa sekuen TR dan TE, kontras tergantung pada pembobotan T1, kepadatan proton (PD), atau karakteristik T2 dari jaringan.

Pembobotan T1

Sekuen Spin Echo dengan pembobotan T1 dirancang untuk menghasilkan kontras terutama berdasarkan karakteristik jaringan T1 dengan penekanan T2 dan kontribusi densitas proton terhadap sinyal. Hal ini dicapai dengan menggunakan TR yang relatif singkat untuk memaksimalkan perbedaan dalam pemulihan magnetisasi longitudinal selama kembali ke ekuilibrium dan menggunakan TE pendek untuk meminimalkan peluruhan T2 selama akuisisi sinyal.

Pada Gambar 3 dibawah ini, bagian sebelah kiri merupakan grafik pemulihan longitudinal dalam saturasi parsial steady–state setelah eksitasi RF 90° pada waktu t = 0, menggambarkan empat jaringan (CSF, grey matter, white matter, dan lemak).

Pulsa RF 90° berikutnya terjadi pada interval TR yang dipilih untuk membuat perbedaan sinyal terbesar antara jaringan berdasarkan nilai pemulihan T1 masing-masing yang ditunjukkan sekitar 600 ms (garis vertikal merah).

Pada saat yang bersamaan, semua Mz yang dipulihkan untuk setiap jaringan dikonversi ke Mxy dengan masing-masing amplitudo sinyal diproyeksikan ke grafik magnetisasi transversal di sebelah kanan. Peluruhan kemudian terjadi, t = 0, pada tingkat berdasarkan nilai T2 masing-masing jaringan.

Untuk meminimalkan peluruhan T2 dan mempertahankan perbedaan dalam amplitudo sinyal karena pemulihan T1, waktu TE dijaga tetap pendek (garis vertikal merah). Proyeksi horizontal dari persimpangan TE dengan masing-masing kurva menggambarkan secara grafis amplitudo sinyal relatif yang diperoleh sesuai dengan jenis jaringan.

Lemak, dengan T1 pendek, memiliki sinyal besar, karena mengalami pemulihan yang lebih besar dari vektor Mz selama periode TR. White matter dan grey matter memiliki nilai T1 medium dengan amplitudo sinyal medium, dan CSF memiliki nilai T1 yang panjang, memiliki amplitudo sinyal terendah.

TE pendek mempertahankan perbedaan sinyal T1 dengan tidak membiarkan peluruhan transversal (T2) yang terjadi secara signifikan. Berikut adalah Gambar 3 kontras pembobotan T1 dan T2:

Gambar 3. Kontras pembobotan T1: Pemulihan longitudinal (kiri) dan peluruhan transversal (kanan) (perhatikan nilai skala waktu sumbu x) menunjukkan empat jaringan otak dan konstanta relaksasi T1 dan T2. Kontras pembobotan T1 membutuhkan pemilihan TR yang menekankan perbedaan karakteristik T1 jaringan (misalnya, TR = 500 ms), dan mengurangi karakteristik T2 dengan menggunakan TE pendek sehingga peluruhan transversal berkurang (misalnya, TE < 15 ms) (Bushberg, 2012).

Kontras pembobotan T1 SE membutuhkan TR dan TE pendek. Citra aksial pembobotan T1 dari organ otak yang diperoleh dengan TR = 500 ms dan TE = 8 ms diilustrasikan pada Gambar 4 pembobotan T1.

Lemak memiliki sinyal yang paling kuat, diikuti oleh white matter, grey matter, dan CSF. Parameter modalitas sekuen Spin Echo pembobotan T1 yang umum adalah TR = 400 – 600 ms dan TE = 3 – 10 ms. Adapun pendapat lainnya mengenai nilai TR pembobotan T1 adalah 300 – 700 ms dengan nilai TE 10 – 30 ms. Berikut adalah Gambar 4 pembobotan T1:

Gambar 4. Pembobotan T1, TR = 500 ms, TE = 8 ms. TR pendek (400-600 ms) menghasilkan sinyal yang berdasarkan pada relaksasi T1. Sinyal dengan T1 pendek memiliki intensitas sinyal tinggi (lemak dan white matter), sedangkan sinyal dengan T1 panjang memiliki intensitas sinyal rendah (CSF). TE pendek (kurang dari 15 ms) menjaga perbedaan jaringan T1 dengan tidak membiarkan peluruhan T2 yang signifikan terjadi (Bushberg, 2012).

Pembobotan Proton Density (PD)

Pembobotan PD bergantung pada perbedaan jumlah proton termagnetisasi per satuan volume jaringan. Pada ekuilibrium, jaringan dengan kepadatan proton yang besar, seperti lipid, lemak, dan CSF, memiliki Mz besar jika dibandingkan dengan jaringan lunak lainnya.

Kontras berdasarkan perbedaan kepadatan proton didapat dengan mengurangi kontribusi pemulihan T1 dan peluruhan T2. Perbedaan T1 dikurangi dengan memilih nilai TR panjang untuk memungkinkan pemulihan substansial Mz. Perbedaan T2 dari jaringan dikurangi dengan memilih nilai TE pendek.

Pemulihan longitudinal dan grafik peluruhan transversal untuk pembobotan kerapatan proton menggunakan TR panjang dan TE pendek, diilustrasikan pada Gambar 5. Kontras dihasilkan dari variasi kepadatan proton (CSF, lemak, grey matter, dan white matter). Berikut adalah Gambar 5 pembobotan pada proton density:

Gambar 5. Pembobotan PD: Kontras pembobotan PD (proton) memerlukan penggunaan TR panjang (> 2.000 ms) untuk mengurangi efek T1, dan TE pendek (< 35 ms) untuk mengurangi pengaruh T2 dalam akuisisi sinyal (Bushberg, 2012).

Gambar 5 diatas menunjukkan citra pembobotan PD dengan TR = 2.400 ms dan TE = 30 ms. Lemak dan CSF ditampilkan sebagai sinyal yang relatif cerah dan terjadi sedikit inverse kontras antara white dan grey matter. Citra khas PD memiliki TR antara 2.000-4.000 ms dan TE antara 3 – 30 ms.

Sekuen Spin Echo PD mencapai intensitas sinyal keseluruhan tertinggi dan rasio signal-to-noise (SNR) terbesar. Namun, kontras citra relatif rendah, dan oleh karena itu rasio SNR tidak selalu lebih besar dari yang dapat dicapai dengan bobot kontras T1 atau T2. Berikut adalah Gambar 6 pembobotan proton density:

Gambar 6. Pembobotan PD, TR = 2400 ms, TE = 30 ms. TR panjang meminimalkan perbedaan relaksasi T1 pada jaringan. Sinyal dengan kerapatan proton besar memiliki intensitas sinyal (CSF) yang lebih tinggi. TE pendek mempertahankan perbedaan kerapatan proton tanpa membiarkan peluruhan T2 yang signifikan. Sekuen ini menghasilkan SNR puncak tinggi, meskipun perbedaan kontras dinilai kurang dari citra pembobotan T2 (Bushberg, 2012).

Pembobotan T2

Pembobotan kontras T2 mengikuti langsung dari urutan pembobotan PD. Mengurangi perbedaan T1 dalam jaringan dengan TR yang panjang, dan menekankan perbedaan T2 dengan TE yang panjang. Sinyal berbobot T2 dihasilkan dari echo kedua yang dihasilkan oleh pulsa 180° kedua dari pulsa sekuen spin echo dengan TR yang panjang, di mana echo pertama berbobot proton density dengan TE pendek.

Perbedaan kontras T2 dimanifestasikan dengan memungkinkan peluruhan sinyal Mxy seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Dibandingkan dengan citra pembobotan T1, inversi kontras jaringan terjadi pada citra di mana CSF cerah dan grey dan white matter sebaliknya. Berikut adalah Gambar 7 kontras pembobotan T2 yang membutuhkan penggunaan TR panjang:

Gambar 7. Kontras pembobotan T2 membutuhkan penggunaan TR panjang (> 2000 ms) untuk mengurangi pengaruh T1 dan TE yang panjang (> 80 ms) untuk memungkinkan peluruhan T2. Dibandingkan dengan bobot PD, perbedaannya adalah dengan TE yang lebih panjang (Bushberg, 2012).

Citra pembobotan T2 dibawah ini menunjukkan kontras jaringan yang tinggi dibandingkan dengan citra pembobotan T1 atau PD. Seiring TE meningkat, lebih banyak kontras T2 tercapai, tetapi dengan mengorbankan lebih sedikit sinyal Mxy dan noise citra yang lebih besar.

Namun, dengan amplitudo sinyal rendah, pemrosesan citra dengan penyesuaian window width dan window level dapat memetakan kembali sinyal pada rentang tampilan secara penuh, sehingga kecerahan rata-rata keseluruhan adalah sama untuk semua citra. Sekuen khas pembobotan T2 menggunakan TR sekitar 2.000 hingga 4.000 ms dan TE 80 hingga 120 ms. Berikut adalah Gambar 8 kontras pembobotan T2:

Gambar 8. Kontras pembobotan T2. TR panjang meminimalkan perbedaan relaksasi T1 pada jaringan. TE panjang memungkinkan perbedaan peluruhan T2 untuk dimanifestasikan. Echo kedua memberikan waktu terjadinya peluruhan T2 sehingga citra T2-W biasanya diperoleh bersamaan dengan citra PD. Sementara sekuen T2 memiliki kontras tinggi, sinyal peluruhan mereduksi keseluruhan sinyal bahkan SNR (Bushberg, 2012).

Parameter Spin Echo

Berikut adalah Tabel parameter pembobotan pulsa sekuen spin echo:

Tabel Parameter Pembobotan Pulsa Sekuen Spin Echo

Tabel diatas memuat daftar nilai pembobotan kontras khas dari TR dan TE untuk pencitraan sekuen Spin Echo. Untuk sekuens Spin Echo konvensional, baik PD dan sinyal kontras berbobot T2 diperoleh selama masing-masing TR dengan memperoleh dua echo dengan TE pendek dan TE panjang. Berikut adalah Gambar 9 yang menjelaskan mengenai karakteristik sinyal pada sekuen spin echo:

Gambar 9. Sekuen Spin Echo dengan dua pulsa pemfokusan 180° setelah pulsa eksitasi 90° awal. Echo awal berisi informasi yang terkait dengan kepadatan proton jaringan (PD) dan echo yang lebih panjang memberikan bobot T2. Metode echo ganda digunakan untuk menghasilkan kontran pembobotan PD dan T2 secara independen selama interval TR yang sama dan digunakan untuk mengisi dua repositori k-space yang terpisah yang digunakan dalam memproduksi citra PD dan T2 (Bushberg, 2012).

Sumber:

• Bushberg, Jerrold T., J. Anthony Seibert, Edwin M. Leidholdt, dan John M. Boone. 2012. The Essential Physics of Medical Imaging.   Edisi Ketiga. Lippincott Williams & Wilkins. Philadelphia.
• Westbrook, Catherine, dan John Talbot. 2019. MRI in Practice. Edisi Kelima. Wiley-Blackwell. Hoboken.