Articolo metodologico

Protocollo per la valutazione di MRI artefatti causati da metallo impianti per valutare l'idoneità degli impianti e la vulnerabilità delle sequenze di impulsi

DOI:

10.3791/57394

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17 maggio 2018

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1Department of Neuroradiology, Heidelberg University Hospital, 2Department of Prosthodontics, Heidelberg University Hospital

In questo articolo

Sommario

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Descriviamo un metodo standard per valutare la formazione immagine a risonanza magnetica artefatti causati dagli innesti per valutare l'idoneità degli impianti per imaging a risonanza magnetica e/o la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti metallici contemporaneamente.

Abstract

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Come il numero di scanner a risonanza magnetica (MRI) e pazienti con protesi mediche è in costante crescita, radiologi incontrano sempre più metallici dell'impianto-gli artefatti relativi in MRI, con conseguente qualità dell'immagine ridotta. Di conseguenza, l'idoneità di MRI degli impianti in termini di volume di artefatto, come pure lo sviluppo di sequenze di impulsi per ridurre gli artefatti di immagine, stanno diventando sempre più importante. Qui, presentiamo un protocollo completo che consente una valutazione standardizzata del volume artefatto degli innesti su MRI. Inoltre, questo protocollo consente di analizzare la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi manufatti. Proposta di protocollo può essere applicata a immagini di T2-weighted e del T1 con o senza protesi grasso-soppressione e tutto passivi. Inoltre, la procedura consente l'identificazione separata e tridimensionale di artefatti di perdita e tamponamento a catena di segnale. Siccome le indagini precedenti differivano notevolmente nei metodi di valutazione, la comparabilità dei risultati è stata limitata. Misure standardizzate di volumi di artefatto di MRI sono quindi necessari per fornire la migliore comparabilità. Questo può migliorare lo sviluppo dell'idoneità degli impianti MRI e impulsi meglio sequenze per infine migliorare la cura del paziente.

Introduzione

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MRI è diventato un indispensabile strumento di diagnostica. Di conseguenza, il numero di sistemi MRI utilizzati nella diagnostica di routine continua ad aumentare1. Allo stesso tempo, il numero di pazienti con gli impianti è in aumento anche2,3. Nel 2012, per esempio, più di 1 milione e protesi articolari del ginocchio sono stati condotti in USA solo4. La prevalenza di tali impianti era circa 7 milioni nel 2010, che corrisponde ad oltre il 10% delle femmine nel gruppo di età 80-89 anni5. Di conseguenza, la qualità dell'immagine e il significato diagnostico degli esami di MRI sono spesso compromessa da artefatti a causa di impianti metallici, risultante in un'accuratezza diagnostica in diminuzione. Di conseguenza, l'idoneità di MRI degli impianti e la vulnerabilità di artefatto di sequenze di impulsi stanno diventando sempre più importante. Sono stati pubblicati numerosi approcci per valutare queste caratteristiche. A causa di forti discrepanze nei metodi di valutazione utilizzati, tuttavia, i rispettivi risultati sono difficili da confrontare.

Una valutazione dell'idoneità dei materiali MRI può essere eseguita mediante il calcolo loro suscettività magnetica6. Tuttavia, la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti non è paragonabile con quell'approccio per un determinato impianto. Viceversa, i volumi di artefatto per una sequenza di impulsi dato può solo ipotizzare per diversi impianti. Inoltre, l'analisi viene eseguita spesso con impianti di forma artificialmente7,8. Quanto il volume del materiale e la forma hanno un'influenza sul manufatto dimensioni6, queste caratteristiche dovrebbero essere prese in considerazione pure. Come alternativa alla suscettività magnetica, può essere valutata la dimensione del manufatto. Frequentemente, gli studi si basano solo sulla valutazione qualitativa del manufatto dimensione9 o concentrarsi sulla dimensione bidimensionale artefatto solo che coprono una fetta di impianto artefatto10,11. Inoltre, approcci di segmentazione manuale sono spesso utilizzati, che è non solo che richiede tempo, ma anche incline a intra - e inter - reader differenze11. Infine, protocolli spesso non consentono di testare per grasso-insaturi e grassi saturi sequenze alla stesso tempo12. Questo, tuttavia, sarebbe auspicabile, dal momento che la tecnica applicata soppressione grassa influenza profondamente la dimensione del manufatto.

Qui, presentiamo un protocollo che permette per l'affidabile, semiautomatica, tridimensionale, basato su soglia di quantificazione di artefatti di perdita e tamponamento a catena di segnale dell'intero impianto, o tutte le sezioni contenenti gli elementi visibili dell'impianto. Inoltre, esso consente test delle immagini di T2-weighted e del T1 con o senza grasso-saturazione. Il protocollo può essere utilizzato per valutare l'idoneità di MRI di diversi impianti o la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti metallici per un determinato impianto.

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Protocollo

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1. preparazione fantasma

  1. Determinare il volume dell'impianto (ad es., utilizzando il metodo di spostamento dell'acqua).
    Nota: Il volume del campione CCT-T e il campione di Z-T misurato 0,65 mL e 0,73 mL, rispettivamente.
  2. Correggere la posizione dell'impianto nel mezzo di una scatola non ferromagnetici, plastica, impermeabile utilizzando un filo sottile. Utilizzare una casella che è più grande i previsti artefatti di MRI.
    Nota: Se nessun stime approssimative dei volumi artefatto della sequenza dell'impianto e/o impulso di interesse sono disponibili, eseguire una scansione di prova inserendo il fantasma in una scatola, circa 10 volte più grandi del fantasma, riempito con acqua. I volumi di artefatto in questo studiano variava da 7,3 mL (per l'esempio di CCT-T) e 0,09 mL (per l'esempio di Z-T).
  3. Con cura si fondono una miscela di grasso semisintetico (58,8%), acqua (40%) e macrogol-8-stearato (1,2%), usando un bagno di acqua a 50 ° C.
    Nota: Per i campioni in questo studio, abbiamo usato una miscela di 500 mL per l'incorporamento di ciascun campione.
    1. Quando il composto diventa fluido, interrompere il riscaldamento inizia con agitazione lenta e interrompere il riscaldamento. Assicurare che non esiste alcuna separazione delle fasi di grasso e acqua.
  4. Appena coagulazione comincia, lentamente inizia a incorporare l'impianto con la miscela. Per questo, versare lentamente la miscela di incorporamento nella casella di fantasma con l'impianto.
    Nota: Versamento deve essere eseguita lentamente per evitare l'inclusione di aria.
  5. Posizionare la casella di fantasma con l'impianto incorporato in frigorifero a 4 ° C durante la notte per essiccazione. Il giorno successivo, rimuovere qualsiasi residue liquido parti di decantazione.

2. esame di MRI

  1. Posizionare il fantasma (casella con l'impianto incorporato) nel MRI nello stesso orientamento come nella situazione in vivo . Spostate il centro del fantasma in isocenter del MRI.
  2. Per le misure, è necessario utilizzare una bobina che permette una distribuzione omogenea del segnale all'interno del volume imaging senza gocce grave ed evidente segnale (per esempio, una bobina di testa).
  3. Quando il MRI di pianificazione scansioni alla console di MRI, assicurarsi che la casella di fantasma, tra cui un po' aria ai bordi della scatola, sia all'interno del volume imaging.
  4. Successivamente, eseguire l'esame di MRI.

3. analisi e post-processing delle immagini

  1. Esportare le immagini senza perdita di qualità (ad es., da compressione) dalla console di MRI (ad es., utilizzando il formato DICOM). Importare le immagini in una risonanza magnetica post-elaborazione software che consente di inserire la regione di interesse (ROI), valutando l'intensità del segnale ROI, una segmentazione basata sulla soglia e una quantificazione dei volumi di segmentazione (Vedi Tabella materiali).
  2. Per definire la soglia per manufatti di pile-up e verifica per una distribuzione omogenea del segnale all'interno del volume imaging, inserire righe perpendicolari tra loro e adiacente al bordo esterno del manufatto visibile sulla fetta con l'artefatto massima dimensione ( Figura 1a).
    Nota: Pile-up manufatti sono artefatti di cilindrata, che presenta con aree con artificialmente alte intensità del segnale. Si verificano in direzione fetta e la direzione di lettura.
    1. Inserire uno sfondo ROI (ROIBackground) con 10 mm di diametro di fuori di ogni punto di intersezione di quattro (Figura 1a). Posizionare le linee e le regioni di sfondo di interesse utilizzando l'editor di segmentazione.
    2. Misurare l'intensità del segnale di media e deviazione standard (SD) di voxel tutti all'interno di questi 4 valori ROIsfondo e per ogni ROIsfondo separatamente. Utilizzare lo strumento Materiale statistiche in vista del progetto.
    3. Assicurarsi che l'intensità di segnale medio di ogni ROIsfondo sia all'interno della gamma di ± 1.5 SD del segnale medio di ciascuna delle altre 3 controparti per garantire una distribuzione omogenea del segnale.
    4. Calcolare la soglia per gli elementi di tamponamento a catena aggiungendo 3 SD di ROIsfondo all'intensità di segnale medio di tutti i voxel di questi 4 valori ROIsfondo . Eseguire una segmentazione basata su soglia semiautomatica di manufatti di pile-up selezionando tutti i voxel con l'intensità del segnale maggiore rispetto alla soglia adiacente l'artefatto di perdita di segnale in ogni fetta. Utilizzare lo strumento di mascheratura dell'editor segmentazione per visualizzare la gamma di intensità di segnale predeterminato e limitare la segmentazione ad esso.
  3. Per definire la soglia per gli artefatti di perdita di segnale, posto 4 regioni di interesse (ROI) in regioni contenenti aria (ROIaria; ogni 10 mm di diametro) agli angoli della casella di fantasma e misurare l'intensità del segnale di media e SD di voxel tutti all'interno di questi 4 ROI Aria come descritto al punto 3.2, utilizzando l'editor di segmentazione e "Materiale Statistics", rispettivamente.
    Nota: Gli artefatti di perdita di segnale presentano con voxel con intensità del segnale basso artificiale. Essi sono causati da manufatti sfasatrici e spostamento.
    1. Posizionare un ROI nel nucleo del manufatto di perdita di segnale (ROICore) definito dalla più grande zona collegata di intensità bassa del segnale (Figura 1a). Aumentare manualmente le dimensioni del ROICore fino a trovata la dimensione più grande possibile entro l'artefatto di perdita di segnale cui intensità di segnale media è inferiore alla media ROIaria + 3 x dei rispettivi SD. Infine, misurare l'intensità media del segnale e la deviazione standard del ROICore.
    2. Calcolare la soglia di intensità del segnale per manufatti di perdita di segnale aggiungendo 3 SD del ROICore alla media del ROICore. Eseguire una segmentazione basata su soglia semiautomatica di manufatti di perdita di segnale selezionando tutti i voxels collegato al ROICore con intensità del segnale sotto la soglia.
    3. Utilizzare lo strumento di mascheratura dell'editor segmentazione per visualizzare la gamma di intensità di segnale predeterminato e limitare la segmentazione ad esso. Se possibile, utilizzare la funzione di "Riempimento" del rubinetto "Selezione" dell'editor segmentazione per includere tutti i voxels entro la segmentazione che non sono ancora selezionato. Se applicabile, aggiungere manualmente gli artefatti di perdita di segnale inequivocabile aggiuntivo alla segmentazione.
  4. Sottrarre il volume fisico dell'impianto dal volume calcolato artefatto per ottenere il volume vero artefatto. Ripetere l'analisi almeno 3 x. Il più letture per escludere un bias di apprendimento deve essere separati da un intervallo di tempo di almeno due settimane.

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Risultati

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Con il protocollo di cui sopra, abbiamo valutato il volume di artefatto di 2 diversi impianti dentali di supporto diverse corone di titanio (T; si veda la Tabella materiali) [lega di porcellana-fondere--metallo non prezioso (CCT-T) e monolitico ossido di zirconio (Z-T); Figura 1b e 1C]. Il campione di CCT-T rappresenta una composizione di materiale altamente paramagnetica grandi manufatti di predizione (cobalto 61%, Chrome 21...

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Discussione

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Il numero di pazienti con metallica gli impianti e il numero di esami di MRI è attualmente in aumento di1,2,3. In passato, gli esami di MRI sono stati evitati dopo protesi articolari. Oggi, tuttavia, MRI non è richiesto solo per l'imaging di tali pazienti ma dovrebbe anche consentire per la valutazione delle complicazioni direttamente adiacente alla protesizzazione. Così, la sicurezza di MRI e l'idoneità di MRI di impianti, come...

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Dichiarazioni

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Tim Hilgenfeld, Franz S. Schwindling e Alexander Juerchott ha ricevuto finanziamenti da una borsa di studio post-dottorato della facoltà di medicina dell'Università di Heidelberg. Lo studio è stato sostenuto in parte da Dietmar-Hopp-Stiftung (progetto n. 23011228). Gli autori hanno dichiarato esplicitamente che non esistono senza conflitti di interesse in relazione a questo articolo.

Ringraziamenti

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Gli autori ringraziare Stefanie Sauer, farmacista presso il dipartimento di farmacia Heidelberg University Hospital, per il suo contributo il fantasma di MRI. Inoltre, vorremmo ringraziare prodotti NORAS MRI GmbH (Höchberg, Germania) e soprattutto Daniel Gareis per fornire un prototipo della bobina multiuso 16 canali. Inoltre, siamo grati per la gentile collaborazione con SIEMENS Healthcare GmbH (Erlangen, Germania) e soprattutto Mathias Nittka per la loro assistenza nell'impostazione di sequenza.

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Aqua B. Braun EcotainerB. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germania
Grasso semisintetico: Witepsol W25Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Germania4051
Macrogol-8-stearatoCaelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Germania3023
Scatola di plastica: non specificato
Impianti: Nobel ReplaceNobel Biocare, Zü rich, Svizzera
Bagnomaria Haake S5PThermo Scientific, Waltham, MA, USA
Cilindro graduato Blaubrand Eterna, Classe A, Boro 3.3BRAND GmbH + Co Kg, Wertheim, Germania32708
Bobina: VarietàNoras MRI products GmbH, Hö chberg, Germania
MRI: Magnetom TrioSiemens Healthcare GmbH, Erlangen, Germania
Software di post-elaborazione: Amira 6.4Thermo Scientific, Waltham, MA, USA

Riferimenti

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  1. Matsumoto, M., Koike, S., Kashima, S., Awai, K. Geographic distribution of CT, MRI and PET devices in Japan: a longitudinal analysis based on national census data. PLoS ONE. 10 (5), (2015).
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  3. Jordan, R. A., Micheelis, W. Fünfte Deutsche Mundgesundheitsstudie (DMS V). , Deutscher Zahnärzte Verlag DÄV. Köln. (2016).
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  11. Fritz, J., et al. Compressed sensing SEMAC: 8-fold accelerated high resolution metal artifact reduction MRI of Cobalt-Chromium knee arthroplasty implants. Investigative Radiology. 51 (10), 666(2016).
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