OPTIMISASI MRA TIME OF FLIGHT DAN PHASE CONTRAST

Original Post by : Eka Juliantara

MRA adalah visualisasi karakteristik pembuluh darah serta aliran darah dengan menggunakan pesawat MRI. Prosedur MRI dan MRA merupakan pemeriksaan komprehensif yang menggambarkan anatomi pembuluh darah (angiographic like), aliran darah serta deteksi kelainan-kelainan pada jaringan perivaskuler dan organ target. MRA bukanlah prosedur yang dapat berdiri sendiri dan perannya tidak dapat dipisahkan dari pemeriksaan imejing lain seperti ultrasonografi (USG), CT angiography (CTA), MRI dan conventional angiography (CA). Gold standard untuk berbagai manifestasi penyakit penyakit vaskuler adalah CA, suatu prosedur yang invasif, mahal dan mengandung resiko tinggi.

Penggunaan MRA menjadi pemeriksaan rutin dalam menegakkan diagnosa dengan menggunakan modalitas MRI. Klinis yang dapat ditegakkan dengan MRA semakin luas dan menyebar, oleh karena itu perlu dikembangkan secara terstruktur mengenai sekuens khusus MRA, teknik pemeriksaan dan protokolnya. Saat ini MR Angiografi dihadapkan dengan banyaknya macam protokol MRA baru dan pengembangan protokol lama. Berbagai macam protokol tadi memilki pengaturan sendiri dengan mengeluarkan program software baru. Hal baiknya adalah sebagian besar teknik yang baru tersebut dapat dengan mudah dikenali karena teknik tersebut hanya melakukan sedikit variasi dan pengembangan dari teknik dasar MRA.  Sebagian besar konsep teknik dasar MRA diambil dari modifikasi konsep pemeriksaan MRI rutin, yang sebagaian besar radiografer sudah terbiasa dengan konsep dasar tersebut.

Terminologi MRA dapat dipakai pada sebagaian besar pemeriksaan MRI yang hasil citranya dibentuk berdasarkan perbedaan antara nuklei yang berjalan “flowing spin” dan nuklei yang diam “stationary spin”. Hampir semua citra MRA dihasilkan karena perbedaan kontras jaringan darah “moving spin” dan “stationary spin” yaitu jaringan dibelakangnya

A.   Bagaimana cara menghasilkan citra pembuluh darah?

Pada pemeriksaan MRI rutin (seperti pemeriksaan yang menunjukkan gray matter dan white matter pada otak) terdapat dua mekanisme utama dari perbedaan kontras jaringan yaitu T1 dan T2. Pada MR Angiografi juga menggunakan dua pendekatan utama yaitu Time Of Flight (TOF) dan phase kontras (PC). Pendekatan TOF tergantung pada mekanisme pembobotan T1 sedangkan pendekatan PC lebih ditekankan pada pembobotan T2.

Keuntungan dan keterbatasan pada masing-masing tipe sekuens MRA terbukti dapat sangat membantu para klinisi dalam menegakkan diagnosa. Ini sangat tepat kita menggunakan protokol khusus (seri protokol MRA) yang ditujukan hanya yang dibutuhkan pasien saja. MRA adalah teknologi yang interaktif. Dimulai dengan meninjau riwayat pasien (yang berhubungan dengan kecepatan aliran darah dan karakteristik aliran berdasarkan patologinya), dilanjutkan dengan memilih sekuens yang tepat dan diakhiri dengan melakukan prosesing dan filming yang tepat pula.

Untuk menampakkan pembuluh darah berbeda antara MRA dan Angiografi konvesional. Di dalam konvensional angiografi dengan menggunakan sinar-X, kateter dimasukkan kedalam pembuluh darah tertentu dan kemudian disuntikkan media kontras kedalam pembuluh darah tersebut. Sesuai dengan aliran darah media kontras menggantikan darah dalam pemubuluh tersebut. Media kontras didalam pembuluh darah ini membentuk citra lumen pembuluh darah, aliran darah tidak lancarpun citra tetap akan terbentuk. Mekanisme ini berbeda dengan konsep MRA.

MRA adalah rekaman fisiologis aliran darah.  Jika tidak ada aliran darah, tidak akan terbentuk citra pembuluh darah. Dan jika terdapat gangguan pola aliran darah atau sering disebut stenosis, maka akan dihasilkan kekacauan dalam rekaman di area tersebut, dimana sinyal vaskuler akan berkurang bahkan hilang. Dalam X-Ray Angiografi menghasilkan citra alur anatomi lumen pembuluh darah. MRA tidak demikian, dalam MRA sama sekali tidak melukiskan lumen pembuluh darah. MRA merekam pergerakan aliran darah didalam pembuluh.

B.   Dark blood “Flow-void” MRA

Dark Blood (DB) MRA adalah contoh sempurna untuk menggambarkan proses yang berlawanan antara X-ray konvensional angiografi dan MRA. Teknik citra darah tampak gelap ini juga dikenal sebagai teknik aliran kosong (flow-void), darah sama sekali tidak tergambar. DB MRA ini dapat disimpulkan ketika citra tidak dapat ditampilkan karena tidak ada sinyal sama sekali dalam pembuluh darah. DB MRA paling sering menggunakan dasar dari teknik spin – echo. Meskipun begitu citra terbaik dari DB dapat diperoleh dari susunan tipe magnet yang lebar dan kekuatanya (tesla) nya tinggi. Keuntungan dari DB MRA ini adalah spin echo hanya di produksi ketika jaringan mendapatkan dua intervensi yaitu pertama saat dieksitasikan pulsa RF 90° dan yang berikutnya adalah saat mendapatkan pulsa refokusing 180°. Jika jaringan mendapatkan intervensi pulsa 90° tetapi tidak pernah mendapatkan intervensi pulsa kedua sebesar 180° maka tidak akan ada echo. Hasilnya adalah area pada pemeriksaan MRI tersebut akan tidak ada sinyal sama sekali. Hilangnya sinyal tersebut disebut dengan “aliran – kosong”.

Jaringan harus mendapatkan dua intervensi yaitu pulsa RF 90° dan pulsa RF 180° pada irisan yang sama untuk memperoleh sinyal. Hal tersebut dikarenakan pulsa RF digunakan untuk mengatur fenomena echo dalam pemilihan slice. Akibatnya adalah jaringan pada irisan yang sama harus mendapatkan dua intervensi RF yang cukup panjang yaitu pulsa RF 90° dan 180° jadi jika terdapat pergerakan aliran darah pada irisan tersebut dan mendapatkan dua intervensi pulsa RF 90° dan 180° darah akan memberikan sinyal. Pembuluh darah akan nampak hitam berbeda dengan jaringan disekitarnya yang akan nampak normal, cerah, karena sinyal yang kuat. Sejak jaringan yang diam ini memberikan karakteristik sinyal yang normal, citra DB MRA sering memberikan kemampuan dalam menggambarkan lumen pembuluh darah dan otot dari dinding pembuluh darah tersebut. Ini berarti pencitraan teknik DB MRA dapat menggambarkan gumpalan/bekuan atau plak dengan dinding pembuluh darah.

C.   Teknik Penekanan / Supresi Background

Ada dua teknik utama dalam manampakkan “darah tampak cerah” pada MRA. Teknik yang pertama yaitu dengan menggunakan Time Of Flight (TOF) MRA, lebih kepada melakukan suppresi citra pada latar belakang pembuluh darah. Teknik suppresi latar belakang yang dibahas pada bab ini yaitu teknik memperkecil intensitas sinyal pada jaringan latar belakang pembuluh darah, dengan memperkecil sinyal tersebut maka proses matematis substraksi tidak akan terbentuk secara sempurna. Darah “tampak cerah” sinyal aliran darah yang menyengat akan terlihat berlawanan dengan latar belakang yang tampak gelap karena jaringan yang tidak bergerak. Teknik suppresi latar belakang ini jangan pernah dicoba dengan menghilangkan seluruhnya sinyal dari jaringan statis, dengan hanya memperkecil sinyal latar belakang tersebut sudah dapat membuat jaringan dibelakang pembuluh darah tidak terliuhat dengan jelas sedangkan darah akan tampak cerah/menyengat.

D.   Teknik Time Of Flight

Time Of Flight belakangan ini menjadi tulang punggung dalam MRA diagnostik. Dalam TOF MRA, volume pencitraan diberikan pulsa dengan cepat sehingga hanya sebagian kecil dari magnetisasi longitudinal jaringan yang mendapatkan kembali pulsa eksitasi. Ketika hanya sebagian dari sinyal T1 dari suatu jaringan yang dapat direcovery diantara dua pulsa yang diberikan, maka akan memungkinkan untuk menghasilkan suatu “loss of signal’ atau menurunnya intensitas dalam suatu volume pencitraan. Fenomena ini disebut sebagai suatu Saturasi (saturation).

Otot, kartilago, dan jaringan lainnya yang termasuk di dalam volume pencitraan dengan cepat akan menjadi tersaturasi dan kemudian akan kehilangan sebagian besar dari intensitas sinyal mereka.Namun pergerakan dari aliran darah dalam volume pencitraan akan menghasilkan intensitas sinyal yang tinggi akibat aliran yang masuk dan bergerak secara cepat dalam volume pencitraan.

Teknik ini menggambarkan spin molekul air yang bergerak dalam pembuluh darah. Pembuluh darah akan tampak lebih terang (bright) ketika ada pasokan spin terus menerus pada bidang pencitraan (inflow effect). Teknik ini menggunakan sekuen gradien echo dengan TR yang pendek (30–50 ms) dan flip angle 20–40^O untuk gambar 3D dan 50^O atau lebih untuk gambar 2D. Penggunaan TR yang pendek mengakibatkan pemulihan magnetisasi longitudinal tidak menjadi maksimal karena T1>TR. Proton yang tidak bergerak di daerah irisan akan mengalami saturasi akibat radiofrekuensi yang terus berulang, sehingga hanya akan memberikan sinyal yang sangat lemah dan akan memperlihatkan gambaran yang “dark”. Penggunaan TR yang pendek mengakibatkan magnetisasi longitudinal terus menurun. Sementara darah yang mengalir melewati daerah irisan tidak akan mengalami saturasi karena sifatnya yang terus mengalir. Akibatnya, darah yang mengalir tersebut akan memberikan gambaran “bright”.

1. 3D Time-Of-Flight MRA

Teknik ini menawarkan angiografer suatu pendekatan praktis dalam suatu akusisi yang cepat serta resuolusi citra yang sangat tinggi. Pendekatan ini sangat berguna untuk pencitraan struktur anatomi dengan kecepatan aliran pembuluh darah yang sangat cepat. Dan teknik ini biasanya  sangat berguna ketika kecepatan aliran darah yang kompleks dan ke berbagai arah. 3D TOF MRA merupakan pendekatan akusisi volumetrik. Sekuen pencitraan ini didesain untuk mengeksitasi suatu ketebalan dari volume (3-6cm) dan kemudian membagi lagi volume tersebut menjadi beberapa jumlah kecil partisi dengan ketebalan 1mm setiap bagiannya. 3D sekuensial memberikan peningkatan pada SNR bila dibandingkan dengan teknik pencitraan  2D. menggunakan teknik 3D mengakibatkan peningkatan SNR sebesar akar kuadrat dari jumlah bagian dalam volume 3D yang dibagi. Sebagai contoh 1 mm pagian dari 64 mm 3D volume akan memiliki sinyal 8 kali lebih tinggi dibandingkan dengan 1 mm pada teknik  2D MRA.

2. 2D Sequential Time Of Flight MRA

  Variasi lain teknik TOF adalah 2D sekuensial TOF. Mekanisme ini jauh lebih tidak rentang terhadap efek saturasi vaskuler. Teknik ini memerlukan satu set irisan tipis 2D (50-80). Sebagian besar teknik pencitraan dua dimensi (seperti teknik pada pencitraan abdomen dan knee) memerlukan raw data dari slice pertama. Kemudian slice berikutnya mengikuti slice pertama dan begitu seterusnya, hal ini berarti setiap slice dalam volume pencitraan di eksposi dengan eksitasi radiofrekuensi berulang kali melalui akuisisi pencitraan.

Teknik ini memastikan bahwa sinyal vaskuler dalam suatu slice yang tidak akan  tersaturasi (atau tersaturasi sebagian) dengan mendapatkan pulsa eksitasi RF yang beulang kali seperti aliran darah yang melalui slice proximal. Ketika darah melewati suatu irisan 2D diasumsikan irisan MRA adalah diposisikan tegak lurus terhadap aliran dari darah hanya memerlukan mentransfer suatu irisan yang tipis 2 atau 3 mm, maka kemungkinan kecil aliran darah tersebut masih tetap berada dalam slice tersebut untuk menjadi tersaturasi. Oleh karena itu, 2D sekuensial TOF bisa memvisualisasi aliran vena yang lambat sama seperti memvisualisasi aliran arteri yang cepat. Meskipun 2D TOF memliki kemampuan untuk melakukan pencitraan pada pergerakan yang cepat dan pergerakan lambat dari suau aliran darah, teknik ini sangat rentan dari resolusi yang rendah. Konsekuensinya ketika akuisis 2D diproyeksikan pada suatu sisi (contoh ketika viewing sebuah akusisi reformat irisan axial kedalam sebuah MIP sagital maka akan menghasilkan citra dengan hasil sedikit kasar. Oleh karena itu diperlukan faktor teknik lain yang ahrus diperhatikan ketika memilih antara 2D TOF dan 2D TOF. 2D TOF MRA memiliki kecenderungan berperan dalam timbulnya area yang lebih luas pada sinyal lost dalam kaitannya pada stenosis. Hal tersebut dapat meningkatkan suatu keparahan patologi dengan mengkombinasikan parameter 2D TOF waktu TE yang minimum, slice encoding gradient yang lebih kuat da ukura voxel yang lebih besar dalam sebuah slice dengan ketebalan 2-3 mm.

2D dapat dengan baik mencitrakan suatu anaotmi pada area yang lebih luas dibandingkan 3D TOF (contoh, suatu slab axial 3D TOF yang setinggi bifurcasio carotis hanya dapat mencakup 5 cm dari anatomim, sedangkan suatu seri dari  80 irisan axial 2D TOF dapat menyediakan gambaran 12 cm dari pembuluh darah leher dengan waktu akuisisi yang sama.

Dapat disimpulkan 2D TOF bisa menggambarkan area anatomi yang lebih luas, namun rentan terhadap resolusi rendah, sedangkan 3D TOF menghasilkan citra dengan resolusi yang tinggi, namun cenderung rentang terhadap sinyal lost dari pergerakan vaskuler yang cepat

3. 3D Sequential Multi Slab TOF MRA

  Dua keuntungan besar dari teknik 3D TOF adalah kemampuan menghasilkan citra dengan resolusi tinggi dan kecenderungan untuk tidak melewatkan gambaran stenosis. Kemudian dua keuntungan dari menggunakan 2D TOF adalah kemampuan untuk menggambaran dengan jelas  anatomi pada area yang besar serta kemampuan untuk mencitrakan pergerakan aliran darah yang lebih lambat dibandingkan dengan pencitraan 3D TOF slab. Teknik 3D multi slab (3D MS) kombinasikan keuntungan dari kedua teknik 2D dan 3D TOF MRA). Dalam teknik 3D MS beberapa slab tipis yang overlapping (16-32 partisi yang masing-masing terdiri dari 1 mm) dihasilkan dalam suatu sekuens dan kemudlian slice center dari keseluruhan slab dikombinasikan untuk membentuk data suatu proses MIP. 3D sekuensial multi slab sama seperti 2D sekuensial dalam hal kombinasi slice tipis yang banyak, dimana 3D slab yang tipis dalam hal ini mengambil keuntungan dari fakta bahwa volume eksitasi yang tipis cenderung lebih tidak rentan terhadap staurasi dari sinyal vaskuler. 3D multi slab mengkombinasikna resolusi spasial yang tinggi (TE yang pendek) dari 3D TOF dengan area coverage yang lebih besar. 3D MS dengan kesuksesan mengkombinasikan parameter dari kedua teknik TOF tersebut dapat mencapai suatu derajat yang baik dalam clinical acceptance.

E.    Phase Contrast MRA

Phase contrast (PC) MRA sekuens didesain untuk sensitif terhadap perbedaan sifat dari magnetisasi tranversal (tingkat T2 phase lispersion) yang terjadi antara jaringan diam dan bergerak. Sekuens PC MRA menghitung jumlah speed yang mengalami phase shift dan menunujukkan spin yang bergerak dalam suatu kontras terhadap jaringan background (jaringaan diam). Tingkat dari phase shifting dalam hal flow encoding gradien secara langsung tergantung pada kekuatan dari gradient dan kecepatan pada spin yang bergerak. Spin disituasikan pada tempat yang berbeda sepanjang pemberian gradien yang berbeda kekuatannya. Dalam hal PC MRA, sepasang flow encoding gradien digunakan (menghasilkan sepasang citra untuk substraksi). Flow encoding gradien ini menjadikan akuisisi sensitif terhadap pergerakan yang terjadi sepanjang bidang dari gradient masing-masing pasangan dari flow encoding gradient sensitive terhadap aliran hanya dalam sutau bidang. Contohnya sebuah flow encoding gradient set hanya sensitif terhadap aliran  kanan/kiri atau kiri/kanan, tetapi tidak terhadap aliran atas/bawah. Konsekuensinya sekuens harus dibuat dalam multiple pairs dari flow encoding gradient untuk dapat memvisualisasikan multi directional (compleks area dari anatomi vaskuler) dikarenakan scan time yang meningkat pada setiap penambahan flow encoding gradient akuisisi 3D PC MRA akan selalu memakan waktu lebih lama dibandingkan dengan akuisisi 3D TOF.

Phase-contrast (PC) angiografi merupakan teknik “bright blood” lainnya yang menggunakan gradien bipolar (flow-encoding). Dengan memilih polaritas dan amplitude gradient, maka operator dapat memilih arah aliran dan kecepatan aliran yang akan diperiksa. Teknik ini memungkinkan untuk mengukur kecepatan aliran pada semua voksel. Sekuen phase-contrast merupakan sekuen gradient echo dengan TR 10-20 ms dan TE 5–10 ms. Bipolar gradient diberikan diantara pemberian radiofrekuensi dengan saat pembacaan sinyal.

Flow-encoding gradient menyebabkan pergeseran fase pada spin proton yang bergerak namun tidak mempengaruhi spin proton yang diam. Pergeseran tersebut sebanding dengan kecepatan aliran sehingga dengan mengetahui nilai pergeseran tersebut maka kecepatan aliran darah dapat dihitung berdasar amplitude bipolar gradient yang digunakan.

Efek flow-encoding gradient pada spin proton yang menerima kedua sinyal bipolar dapat diabaikan karena sinyal kedua meniadakan efek sinyal pertama. Situasi berbeda terjadi pada spin proton yang mengalir selama bipolar gradient diberikan. Karena posisinya yang berbeda, maka efek sinyal pertama terhadap spin proton yang mengalir tidak akan dihilangkan oleh sinyal kedua, sehingga terdapat pergeseran fase yang persisten.

Satu dari citra dalam pasangan tersebut akan memliki flow encoding gradient dalam arah positif dan yang kedua “mirror image” akan memiliki gradient yang terbalik kearah negative. Data citra dari satu pasangan tersebut akan disubstraksi dengan citra lainnya (bayangannya), maka citra substraksi akan dihasilkan. Untuk mencapai sensitifitas pada semua aliran di ketiga arah, setiap scan harus mengaktifkan tiga pasang flow sensitive gradient (6 pasang raw data yang akan memakan waktu lama dibandingkan 3D TOF). Flow encoding gradient tidak memiliki efek pada objek yang diam. Spin yang bergerak, akan memeperlihatkan sisa sinyal ketika pasangan dari flow encoded raw data citra disubstraksi, hanya pembuluh darah yang akan ditampilkan pada substraksi citra. Sekuens phase contras (2D PC dan 3D PC) memiliki kemampuan untuk menghasilkan citra MRA sebelum dan sesudah injeksi.

1. 2D Phase Contrast

Teknik 2D phase contrast (2D PC) berdasar pada akuisisi dan irisan 2D yang tebal (semua irisan 2D PC biasanya sama tebalnya dengan 3D slab, sebagi contoh slice 2D PC 3-8cm). proyeksi dari 2D PC terbatas hanya pada bidag dimensional yang sama seperti yang telah dihasilkan (contoh ketika yang dihasilkan dengan axial citra yang dihasilkan adalah citra axial yang tidak dapat direformat kedalam citra sagital atau coronal), kekuatan dari “thick slice” ini adalah kecepatan akuisisnya. Ketika ketebalan dari volume eksitasi tidak dibagi menjadi bagian yang lebih kecil (seperti pada akuisisi 3D volume, waktu yang diperlukan untuk encoding spatial secara substansi akan menurun).

Sekuens phase contras juga memerlukan pengaturan dari operator (preselect sebelum scanning dilakukan) range dari kecepatan aliran darah untuk visualisasi oprtimal dari vessel of interens dapat dikatakan operator harus menentukan  untuk memvisualisasi struktur arteri yang bergerak cepat atau struktur vena yang bergerak lambat. Preselection ini disebut sebagia pememilihan velocity encoding factor (VENC) atau pada beberapa alat disebut sebagai optimum velocity (V-Opt).

2. Velocity Encoding

Faktor pencitraan yang menentukan range optimum dari kecepatan aliran darah pada sekuen PC MRA adalah velocity – encoding- factor (VENC juga disebut optimum velocity). Pemilihan V-Opt 20 cm/sec misalnya, dapat menyebabkan aliran darah yang memiliki kecepatan 20 cm/sec akan menjadi maksimum pixel intensity (paling terang) tetap harus diperhatikan bagaimanapun untuk memilih suatu V-Opt yang lebih besar dari velocity peak bagaimanapun dianjurkan untuk memilih V-Opt yang sedikit lebih besar dari kecepatan puncak aliran darah dalam volume yang diperiksa. Sebagai contoh dimana operator mengantisipasi kecepatan renal arteri yang mengalir tidak lebih cepat dari 35 cm/sec maka operator memilih V-Opt 40 cm/sec. Perhatian besar harus diberikan untuk pemilihan V-Opt yang optimal akibat dari sinyal aliran darah yang lebih besar pada V-Opt yang dipilih. Misalnya, ketika memilih 40 cm/sec dari VENC, sedangkan kecepatan asli adalah 42cm/sec, maka sinyal akan mengalami alisasing atau wrap around.