用于评估金属植入物所致磁共振成像伪影的方案：评价植入物适用性及脉冲序列敏感性

摘要

我们描述了一种标准化方法，用于评估植入物引起的磁共振成像伪影，以同时估计植入物是否适用于磁共振成像，以及不同脉冲序列对金属伪影的敏感性。

摘要

随着磁共振成像（MRI）设备数量和带有医用植入物的患者人数持续增长，放射科医生在MRI检查中越来越多地遇到与金属植入物相关的伪影，导致图像质量下降。因此，从伪影体积角度评估植入物的MRI适用性，以及开发减少图像伪影的脉冲序列，正变得愈发重要。本文介绍了一种全面的实验方案，可用于对植入物在MRI上的伪影体积进行标准化评估。此外，该方案还可用于分析不同脉冲序列对伪影的敏感性。所提出的方案适用于T1加权和T2加权图像，无论是否采用脂肪抑制技术，且适用于所有被动植入物。同时，该方法能够分别并以三维方式识别信号丢失和信号堆积伪影。由于以往研究在评估方法上存在较大差异，其结果的可比性受到限制。因此，对MRI伪影体积进行标准化测量十分必要，以提高研究结果之间的可比性。这有助于改进植入物的MRI适用性，并优化脉冲序列，最终提升患者诊疗水平。

引言

磁共振成像（MRI）已成为不可或缺的诊断工具，因此用于常规诊断的MRI设备数量正在持续增加¹。与此同时，植入物患者的数量也在不断上升^2,3。例如，仅在2012年，美国就完成了超过100万例膝关节和关节置换手术⁴。2010年，此类植入物的使用率约为700万例，相当于80至89岁女性群体中超过10%的人群⁵。因此，由于金属植入物引起的伪影，MRI检查的图像质量和诊断价值常常受到影响，导致诊断准确性下降。因此，植入物的MRI适用性以及脉冲序列对伪影的敏感性正变得日益重要。已有大量研究方法被提出用于评估这些特性。然而，由于所采用的评估方法存在显著差异，相关结果难以相互比较。

可通过计算材料的磁化率来评估其是否适用于磁共振成像⁶。然而，对于特定植入物，该方法无法比较不同脉冲序列对伪影的敏感性。Vice versa，对于不同植入物，特定脉冲序列产生的伪影体积仅能进行粗略估计。此外，此类分析通常使用人工设计形状的植入物进行^7,8。由于材料的体积和形状会影响伪影大小⁶，因此也应将这些因素纳入考虑。作为磁化率的替代方法，可直接评估伪影的大小。目前许多研究仅依赖于对伪影大小的定性评估⁹，或仅关注二维层面的伪影尺寸，即仅覆盖植入物伪影中的单一切片^10,11。此外，常采用手动分割方法，这不仅耗时，还容易产生读片者内部和读片者之间的差异¹¹。最后，现有方案通常不允许同时测试非脂肪饱和与脂肪饱和序列¹²。而这一点实际上十分必要，因为所采用的脂肪抑制技术会显著影响伪影的大小。

本文介绍了一种可靠的半自动、基于阈值的三维量化方法，可用于量化整个植入物或所有可见植入物伪影切片中的信号丢失和堆积伪影。此外，该方法可用于测试T1加权和T2加权图像，无论是否采用脂肪抑制。该方案可用于评估不同植入物的磁共振成像适用性，或评估特定植入物在不同脉冲序列下对金属伪影的敏感性。

方案

1. 模体制备

1. 确定植入物体积（例如（通过排水法）
   注意：CCT-T 样本和 Z-T 样本的体积分别为 0.65 mL 和 0.73 mL。
2. 使用细线将植入物固定在非铁磁性、塑料、防水盒的中央位置。所用盒子应大于预期的磁共振成像伪影范围。
   注意：如果无法获得感兴趣植入物和/或脉冲序列的伪影体积的粗略估计值，可通过将模体置于一个装满水的盒子中进行测试扫描，盒子体积约为模体的10倍。本研究中伪影体积范围为7.3 mL（CCT-T样本）至0.09 mL（Z-T样本）。
3. 在50 °C水浴中，小心熔化半合成脂肪（58.8%）、水（40%）和聚乙二醇-8-硬脂酸酯（1.2%）的混合物。
   注意：本研究中每个样本的包埋使用了500 mL混合液。
   1. 当混合物变为流动状态时，停止加热并开始缓慢搅拌，同时停止加热。确保脂肪相与水相不发生分离。
4. 一旦开始凝结，立即用混合物缓慢包埋植入物。具体操作为：将包埋混合物缓慢倒入含有植入物的模型盒中。
   注意：倾注时必须缓慢进行，以避免混入气泡。
5. 将带有嵌入式种植体的模型盒置于4 °C冰箱中过夜，以进行干燥。次日，通过倾倒法去除残留的液体部分。

2. MRI 检查

1. 将模型（内含植入物的盒子）以与in vivo情况相同的方向放置于MRI设备中，并使模型的中心位于MRI等中心位置。
2. 进行测量时，使用能够在成像体积内提供均匀信号分布且无明显严重信号衰减的线圈（例如，头部线圈）。
3. 在MRI控制台规划MRI扫描时，确保整个模型盒（包括盒子边缘周围的部分空气）均位于成像体积内。
4. 随后，执行MRI检查。

3. 图像分析与后期处理

1. 导出图像时不得有任何质量损失（例如，通过 MRI 控制台的压缩方式）例如，使用DICOM格式）。将图像导入MRI后处理软件，该软件需具备放置感兴趣区域（ROI）、评估ROI信号强度、基于阈值的分割以及分割体积定量分析的功能（参见 材料表).
2. 为界定堆积伪影的阈值并检查成像体积内信号分布的均匀性，在伪影最明显的切片上（图1a），于可见伪影外缘附近绘制两条相互垂直的线。
   注意：堆积伪影是一种位移伪影，表现为信号强度被人为增高的区域。该伪影出现在层面选择方向和读出方向。
   1. 放置一个背景感兴趣区域（ROI）_背景）在四个交点外侧各10毫米处，直径为10毫米图1a). 使用分割编辑器放置目标线和背景区域。
   2. 测量这4个ROI内所有体素的平均信号强度及标准差（SD）_背景 值，并针对每个 ROI_背景 分别进行。使用该工具 材料统计学 在项目视图中。
   3. 确保每个ROI的平均信号强度­_背景 在其他3个对应样本平均信号值的±1.5个标准差范围内，以确保信号分布的均一性。
   4. 通过将 ROI 的 3 倍标准差相加来计算堆叠伪影的阈值_背景 这些4个ROI所有体素的平均信号强度_背景 数值。通过选择每个切片中信号强度高于阈值且邻近信号丢失伪影的所有体素，对堆积伪影进行半自动阈值分割。使用分割编辑器中的掩膜工具可视化预定义的信号强度范围，并将分割限制在该范围内。
3. 为确定信号丢失伪影的阈值，需在含空气区域放置4个感兴趣区（ROI）_空气在模体盒的四个角上各放置一个直径为10 mm的圆形感兴趣区域（ROI），测量这4个ROI内所有体素的平均信号强度及标准差（SD）_空气 如步骤3.2所述，使用分割编辑器并 "材料统计学"分别。
   注意：信号丢失伪影表现为体素内出现人为的低信号强度，其成因包括去相位伪影和位移伪影。
   1. 在信号丢失伪影的核心区域放置一个ROI（感兴趣区域）_核心由信号强度最低的最大连通区域所定义（图1a）。手动增大感兴趣区域（ROI）的尺寸_核心 直到信号丢失伪影内平均信号强度低于平均 ROI 的最大可能尺寸_空气 + 3倍各自标准差的值。最后，测量该ROI的平均信号强度和标准差_核心.
   2. 通过将ROI的3倍标准差相加，计算信号丢失伪影的信号强度阈值_核心 ROI 的平均值_核心. 通过选择所有与 ROI 相连的体素，对信号丢失伪影进行基于阈值的半自动分割_核心 信号强度低于阈值。
   3. 使用分割编辑器中的掩膜工具来可视化预定义的信号强度范围，并将分割限制在此范围内。如果可能，使用 "填充" 在阀门中的功能 "选择" 使用分割编辑器包含分割区域内所有尚未被选中的体素。如适用，手动将额外明确的信号丢失伪影添加到分割区域中。
4. 从计算出的伪影体积中减去物理植入物的体积，以获得真实的伪影体积。至少重复分析3次，每次分析之间应间隔至少两周，以排除学习效应带来的偏倚。

结果

采用上述方案，我们评估了两种由钛（T；见下文）制成的牙科种植体的伪影体积 材料表支持不同类型的牙冠［非贵金属合金烤瓷冠（CCT-T）和整体式氧化锆冠（Z-T）］； 图1b 和 1c]. CCT-T 样本代表一种高度顺磁性材料，预计会产生显著伪影（钴 61%、铬 21%、钨 11%；CCT）。Z-T 样本的冠部材料为低度顺磁性材料（氧化锆 92%；Z）。此外，评估了四种不同的非脂肪饱和 T2 加权序列，以比较其对金属伪影的敏感性。具体评估的技术包括基于采样完美化并结合应用优化对比度及不同翻转角演变的多斜块采集与视角倾斜梯度（MSVAT-SPACE）、用于金属伪影校正的层面编码（SEMAC），以及它们的传统对应序列 SPACE 和快速自旋回波（TSE）（参见 表1 有关详细的序列参数）。MRI 扫描在 3T MRI 系统上进行（参见 材料表）并使用了16通道多功能表面线圈。脉冲序列参...

讨论

目前，带有金属植入物的患者数量以及磁共振成像（MRI）检查数量正在持续增加^1,2,3。过去，关节置换术后通常避免进行MRI检查；然而如今，不仅需要对这类患者进行MRI成像，还要求能够评估紧邻关节假体周围的并发症。因此，植入物的MRI安全性和MRI适用性，以及有效的金属伪影抑制脉冲序列正变得愈发重要¹³。为了评估MRI适用性中的伪影体积，我们提出了一种全面且高效的方案，该方案可对脂肪抑制和非脂肪抑制的T1加权与T2加权脉冲序列中信号丢失和信号堆积伪影进行可靠、三维的评估，作为切片变形的指标。

在某些实验步骤中，必须特别注意以获得最佳结果。在熔化包埋物质后、包埋植入物之前，当包埋物质开始冷却并发生物态变化（由液态转为固态）时，必须充分搅拌足够长的时间，因为即使存在乳化剂，其脂肪相和水相也容易发生分离。此外，需缓慢地将包埋物质倒入模体盒中，以避免产生气泡。...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
水性B. Braun Ecotainer	B. Braun Melsungen AG, Melsungen, 德国
半合成脂肪：Witepsol W25	Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, 德国	4051
聚乙二醇-8-硬脂酸酯	Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, 德国	3023
塑料盒：未指明
种植体：Nobel Replace	Nobel Biocare, Zürich, 瑞士
水浴锅 Haake S5P	Thermo Scientific, Waltham, MA, 美国
量筒 Blaubrand Eterna, A级, 硼硅玻璃3.3	BRAND GmbH + Co Kg, Wertheim, 德国	32708
线圈：Variety	Noras MRI products GmbH, Höchberg, 德国
磁共振成像仪：Magnetom Trio	Siemens Healthcare GmbH, Erlangen, 德国
后处理软件：Amira 6.4	Thermo Scientific, Waltham, MA, 美国