طراحي و بهينه‌سازي پالس‌هاي الكترومغناطيسي پيوسته براي مطالعه پديده انتقال اشباع به واسطه تبادل شيميايي در تصويربرداري تشديد مغناطيسي با حل عددي معادلات بلاخ- مك كانل

Designing and Optimization of Continuous Electromagnetic RF Pulses for Studying CEST MRI by Numerical Solution to the Bloch-McConnell Equations

پديده انتقال اشباع به واسطه تبادل شيميايي (CEST) كانتراستي جديد را در تصويربرداري به روش تشديد مغناطيسي (MRI) مطرح كرده است. اين كانتراست بسيار پيچيده به پارامترهاي متعددي از جمله نوع، شدت و ساير ويژگي‌هاي پالس الكترومغناطيس (RF) بستگي دارد. عموماً دو نوع پالس پيوسته و يا گسسته براي انجام فرايند اشباع بكار مي‌رود. طراحي پالس RF بر اساس حل معادلات بلاخ- مك كانل انجام مي‌شود. هدف اصلي اين مقاله استخراج پارامترهاي پالس‌هاي پيوسته RF به نحوي است كه منجر به ارتقاي اين كانتراست شود. پالس‌هاي گسسته به دليل ضريب جذب ويژه امواج (SAR) از توجه بيشتري برخوردارند؛ ولي از آنجايي كه گسسته‌سازي بر اساس پالس‌هاي پيوسته انجام مي‌شود، بهينه‌سازي پالس پيوسته، منجر به پالس گسسته بهتري خواهد شد.. به همين علت و از طرفي بدليل مرسوم بودن بكارگيري پالس‌هاي RF با پوش پيوسته مستطيلي، گوسي و فرمي در MRI، تمركز اصلي اين مقاله بر ايگونه پالس‌ها بوده است. در اين بررسي علاوه بر تخصيص عرض پالس محدود به پالس‌هاي گوسي و فرمي بر اساس تقريب dB60، به مقدار SAR نيز توجه شده است. براي آنكه معيار درستي از قابليت پالس‌ها و امكان قياس آنها حاصل شود، مقدار زاويه چرخش (زاويه انحراف) همه آنها يكسان تنظيم شده است. نتايج نشان مي‌دهد كه از لحاظ اثر CEST و SAR بترتيب پالس مستطيلي، فرمي و گوسي بهترين عمكرد را دارند. بواسطه مشكلات موجود در ساخت و اجراي پالس مستطيلي و همچنين محدوديت‌هايي كه بواسطه الگوي مكاني تحريك سينك گونه وجود دارند، پالس‌هاي گوسي و فرمي همچنان مورد توجه هستند. در پالس مستطيلي به ازاي دامنه 7/5 ميكروتسلا، پالس گوسي به ازاي انحراف معيار 7/0 ثانيه و پالس فرمي به ازاي ضريب ، 3/0 ثانيه بهترين عملكرد را دارا بودند؛ اين نتايج با فرمول تجربي نيز تطابق داشت.

Chemical exchange saturation transfer (CEST) is a new mechanism of contrast generation in magnetic resonance imaging (MRI) which differentiates molecule biomarkers via chemical shift. CEST MRI contrast mechanism is very complex and depends on radio frequency (RF) power and RF pulse shape. Two approaches have been used to saturate contrast agent (CA) protons: continuous wave CEST (CW-CEST) and pulsed CEST. To find the optimal RF pulse, numerical solution of Bloch-McConnell equations (BME) may be used. In this paperwe find the optimum values of RF pulse parameters that maximize the CEST contrast. Discrete pulses have lower specific absorption ratio (SAR) than CW RF pulses. However, since discretization is performed on continuous RF pulses, optimizing the continuous RF pulses leads to the optimization of discrete RF pulses. Therefore, in this paper, Rectangular, Gaussian and Fermi pulses are investigated as CW RF pulses. In this investigation, in addition to considering the SAR limitation, 60 dB approximation for the RF pulse amplitude is used. To compare the efficiency of pulses, their resultant flip angles (FA) are assumed equal. Efficiency of CW-CEST is investigated using two parameters, CEST ratio and SAR. According to these parametres, rectangular, Fermi and Gaussian RF pulses have the best performance respectively. Since implementation of rectangular RF is harder than Gaussian and Fermi RF pulses, Fermi and Gaussian RF pulses are desired. Our results suggest that it is possible to maximize CEST ratio by optimizing parameters of rectangular (with an amplitude of 5.7µT), Gaussian (? about 0.7s) and Fermi (a-value about 0.3s) pulses. Results are verified by empirical formulation of CEST ratio.