Articolo metodologico

Risonanza magnetica strutturale polmonare con imaging a tempo di eco ultra-breve a respirazione libera e auto-gated

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DOI:

10.3791/67294

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6 settembre 2024

1Division of Pulmonary, Critical Care, and Sleep Medicine, Hoglund Biomedical Imaging Center, University of Kansas Medical Center

In questo articolo

Sommario

Viene descritto un protocollo per la generazione di immagini strutturali ad alta risoluzione dei polmoni utilizzando la risonanza magnetica (MRI) a tempo di eco ultra-breve (UTE). Questo protocollo consente di acquisire immagini utilizzando una semplice sequenza di impulsi MRI durante la respirazione libera.

Abstract

La risonanza magnetica polmonare di alta qualità è messa alla prova dalla bassa densità dei tessuti, dal rapido rilassamento del segnale RM e dal movimento respiratorio e cardiaco. Per questi motivi, l'imaging strutturale dei polmoni viene eseguito quasi esclusivamente utilizzando la tomografia computerizzata (TC). Tuttavia, l'imaging TC eroga radiazioni ionizzanti e quindi è meno adatto per alcune popolazioni vulnerabili (ad esempio, la pediatria) o per applicazioni di ricerca. In alternativa, la risonanza magnetica che utilizza tempi di eco ultra-brevi (UTE) sta attirando l'interesse. Questa tecnica può essere eseguita durante la respirazione libera nel corso di una scansione di ~5-10 minuti. Le informazioni sul movimento respiratorio sono codificate insieme alle immagini; Queste informazioni possono essere utilizzate per il "self-gate" delle immagini. L'auto-gating elimina quindi la necessità di una programmazione avanzata della sequenza di impulsi MRI o l'uso di soffietti respiratori, semplificando l'acquisizione delle immagini. In questo protocollo vengono presentati metodi di acquisizione e ricostruzione semplici, robusti ed efficienti dal punto di vista computazionale per l'acquisizione di una risonanza magnetica UTE di alta qualità dei polmoni. Questo protocollo è stato sviluppato per l'uso su uno scanner MRI 3T, ma gli stessi principi possono essere implementati con un'intensità del campo magnetico inferiore. Il protocollo include le impostazioni dei parametri raccomandate per l'acquisizione di immagini UTE radiali 3D, nonché le indicazioni per la ricostruzione dell'immagine self-gated per generare immagini in fasi respiratorie distinte. Attraverso l'implementazione di questo protocollo, gli utenti possono generare immagini UTE ad alta risoluzione dei polmoni con artefatti di movimento minimi o minimi o nulli. Queste immagini possono essere utilizzate per valutare la struttura polmonare, che può essere implementata per l'uso di ricerca in una varietà di condizioni polmonari.

Introduzione

L'imaging ad alta risoluzione della struttura polmonare è una parte essenziale degli esami diagnostici per molte condizioni polmonari. In genere, questo viene eseguito utilizzando la tomografia computerizzata (TC), che è ideale per generare immagini ad alta risoluzione dei polmoni1. Tuttavia, l'imaging TC fornisce una dose non banale di radiazioni ionizzanti, il che lo rende inadatto per l'imaging ripetuto regolare, l'imaging in più fasi respiratorie diverse o l'imaging di determinate popolazioni (ad esempio, pediatria). La risonanza magnetica per immagini (MRI) non comporta lo stesso rischio di radiazioni ionizzanti ed è quindi suscettibile di tali attività di imaging. Tuttavia, è difficile visualizzare i polmoni utilizzando la risonanza magnetica a causa della bassa densità dei tessuti, del movimento respiratorio e cardiaco e del rilassamento del segnale molto rapido 2,3,4.

Una tecnica di risonanza magnetica in grado di mitigare queste sfide è la risonanza magnetica a tempo di eco ultra-breve (UTE) 4,5,6. Nella risonanza magnetica UTE, il segnale MRI viene campionato immediatamente dopo l'eccitazione del segnale, riducendo l'impatto del rilassamento rapido del segnale. Inoltre, questa tecnica campiona lo spazio k dal centro verso l'esterno, il che porta a un significativo sovracampionamento al centro dello spazio k. Questo sovracampionamento al centro dello spazio k rende questa tecnica di imaging robusta al movimento. Oltre a questa robustezza intrinseca al movimento, il campionamento ripetuto del centro dello spazio k codifica le informazioni sul movimento respiratorio, il che consente l'auto-gating delle immagini 7,8,9. Questo self-gating può essere utilizzato per generare immagini in una varietà di fasi respiratorie. Poiché gli esseri umani trascorrono la maggior parte della fase respiratoria all'espirazione, è comune generare un'immagine per la fine dell'espirazione, poiché questa fase ha la maggior parte dei dati di imaging acquisiti.

Esistono diverse strategie per l'auto-gating respiratorio nella risonanza magnetica polmonare. La prima distinzione da fare è basata sull'immagine vs. gating basato sullo spazio k10 (Figura 1). Nel gating basato su immagini, un insieme di immagini con un'alta risoluzione temporale viene generato ricostruendo piccoli sottoinsiemi temporali dei dati di imaging. Successivamente, la posizione del diaframma in queste immagini viene utilizzata per identificare la fase respiratoria per un dato insieme di proiezioni di immagini10,11. Nel gating basato sullo spazio k, i dati provenienti dal centro dello spazio k ("k0") vengono esaminati 8,9,12. L'intensità del segnale dell'immagine è codificata in k0 e, quindi, l'intensità del punto k0 varia con la respirazione. Le proiezioni possono quindi essere raggruppate in diverse fasi respiratorie in base all'intensità di k0. Sia nel gating basato su immagini che in quello basato sullo spazio k, le proiezioni con fasi respiratorie simili sono raggruppate per la ricostruzione dell'immagine. È stato suggerito che il gating basato su immagini fornisca una migliore fedeltà nella stima della fase respiratoria, fornendo così immagini con sfocatura ridotta 10,13.

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Figura 1: Tecniche di self gating basate su immagini e sullo spazio k. (A) Nel gating basato su immagini, le immagini a bassa risoluzione spaziale e ad alta risoluzione temporale che mostrano il diaframma sono generate da sottoinsiemi temporali dei dati complessivi. Utilizzando una linea sopra il diaframma, il movimento respiratorio può essere visualizzato e suddiviso per la ricostruzione dell'immagine. (B) Nel gating basato sullo spazio k, il primo punto su una proiezione dello spazio k al centro ("k0") viene utilizzato per visualizzare il movimento respiratorio. Dopo la levigatura k0, le differenze di intensità del segnale in base al ciclo respiratorio sono chiaramente visibili e possono essere utilizzate per identificare diverse fasi respiratorie. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Sia il gating basato su immagine che quello basato sullo spazio k possono essere eseguiti utilizzando sia l'hard gating che il soft gating11,14. Nell'hard gating, vengono ricostruite solo le proiezioni corrispondenti alla fase respiratoria desiderata. Tuttavia, l'eliminazione delle proiezioni indesiderate può portare a una riduzione del rapporto segnale/rumore (SNR) dell'immagine e a un aumento degli artefatti di sottocampionamento. Questi effetti indesiderati possono essere mitigati utilizzando il soft gating. Nel soft gating, tutte le proiezioni vengono utilizzate per la ricostruzione dell'immagine, ma le proiezioni da una fase respiratoria indesiderata vengono ponderate in modo tale da avere un impatto minore sull'immagine finale. In tal modo, le immagini possono essere ricostruite con artefatti minimi e SNR elevato, pur sopprimendo l'impatto del movimento respiratorio.

Attraverso la combinazione dell'acquisizione UTE MRI con l'auto-gating post-acquisizione, è possibile generare immagini di alta qualità che, pur non essendo equivalenti alla TC, hanno un contrasto e una risoluzione che si avvicinano a quelli dell'imaging TC 6,15,16,17,18,19. In questo documento, viene fornito un semplice protocollo per la raccolta e la ricostruzione di immagini UTE MRI per generare immagini di alta qualità della struttura polmonare.

Questo protocollo è scritto principalmente per gli scanner MRI 3T; 3T è l'intensità di campo più comune utilizzata per la risonanza magnetica di ricerca. Intensità del campo magnetico inferiori, come 1,5 T o 0,55 T20 , disponibili di recente, possono fornire una migliore qualità dell'immagine e intensità del segnale all'interno dei polmoni, poiché il rilassamento del segnale all'interno dei polmoni è più lento a queste intensità di campo.

Sebbene sia stato fatto ogni tentativo per fornire chiarezza e semplicità in questo protocollo e nel codice di ricostruzione dell'immagine fornito, il protocollo richiederà probabilmente un fisico di risonanza magnetica dedicato (o un esperto di risonanza magnetica simile) per stabilire una sequenza di risonanza magnetica UTE appropriata sullo scanner MRI. La sequenza MRI dovrebbe implementare una strategia di codifica 3D non cartesiana con traiettorie nello spazio k Center-out. Gli esempi includono sequenze di imaging radiali 3D o a spirale 3D (ad esempio, "FLORET")21,22. È importante sottolineare che l'ordine delle proiezioni dovrebbe avere una buona stabilità temporale: in un dato sottoinsieme di tempo, le proiezioni dovrebbero coprire l'intero intervallo dello spazio k23. Esempi di strategie di ordinamento delle proiezioni con una buona stabilità temporale sono le medie auree o la spirale di Archimede randomizzata di Halton. Se viene utilizzato un ordine di proiezione con scarsa stabilità temporale, l'auto-gating post-acquisizione ometterà ampie regioni dello spazio k, portando ad artefatti dell'immagine. Infine, la sequenza dovrebbe essere in grado di raggiungere un tempo di eco (TE) di <100 μs. Il tempo di rilassamento polmonare T2* a 3T è di <1 ms24, quindi l'utilizzo di un TE molto breve è essenziale per generare immagini di alta qualità.

Protocollo

Tutto l'imaging di soggetti umani è stato eseguito con l'approvazione del KUMC IRB. Il consenso informato scritto è stato ottenuto da tutti i partecipanti. Le immagini in questo studio sono state ottenute nell'ambito di un protocollo di sviluppo tecnico generico e i criteri di inclusione/esclusione erano deliberatamente ampi. Criteri di inclusione: Età ≥ 18 anni. Criteri di esclusione: Risonanza magnetica controindicata in base alle risposte al questionario di screening MRI e alla gravidanza. Gli accessori e le attrezzature utilizzate per questo studio sono elencati nella Tabella dei Materiali.

1. Acquisizione di immagini UTE

  1. Preparare la sequenza di imaging. Preparare la sequenza di imaging una volta e utilizzare la stessa sequenza per tutti i partecipanti.
    1. Impostare i parametri in base alla Tabella 1.
    2. Posizionare un fantoccio per risonanza magnetica al centro della risonanza magnetica ed eseguire la sequenza di imaging.
      NOTA: Poiché questa sequenza richiede prestazioni di gradiente rapide e molti impulsi RF, è importante verificare che la configurazione del protocollo possa essere eseguita prima del test su un essere umano.
  2. Preparare il partecipante per la risonanza magnetica. Utilizzare lo screening di sicurezza MRI standard istituzionale per garantire che il partecipante possa accedere in sicurezza alla risonanza magnetica.
  3. Posizionare il partecipante sul lettino MRI e posizionare una bobina toracica sul busto del partecipante. Posizionare la bobina vicino al mento del partecipante in modo da garantire una copertura completa degli apici polmonari.
  4. Spostare il partecipante nello scanner MRI. Posizionare il punto di posizionamento appena sotto lo sterno del partecipante.
  5. Raccogli una scansione del localizzatore per assicurarti che i polmoni del partecipante si trovino all'interno del campo visivo per la scansione UTE. Non spostare la geometria della scansione UTE. Se i polmoni del partecipante non si trovano all'interno del campo visivo, spostare il partecipante e raccogliere ulteriori scansioni del localizzatore fino a quando i polmoni non sono completamente all'interno del campo visivo.
  6. Eseguire la sequenza UTE. Durante questa sequenza, il partecipante può respirare normalmente.
  7. Esporta i dati grezzi dallo scanner. A seconda della sequenza di imaging utilizzata, lo scanner può o meno ricostruire le immagini sullo scanner. Per la ricostruzione retrospettiva del gating proposta, sono necessari dati di imaging grezzi per determinare se le immagini vengono generate o meno sullo scanner. Si noti che i dati non elaborati saranno di grandi dimensioni (>10 GB).
  8. Esporta o calcola le traiettorie dello spazio k (cioè la posizione nello spazio k di ogni punto di dati grezzi).
    NOTA: Per alcune sequenze di imaging, le traiettorie dello spazio k possono essere memorizzate insieme ai dati grezzi sullo scanner MRI e possono essere esportate direttamente. Per altre sequenze di imaging, le traiettorie dello spazio k dovranno essere calcolate in base ai parametri di imaging.
ParametroImpostazioni consigliate genericheImpostazioni implementate nel presente documento
Sequenza di imaging3D non cartesiano con traiettorie dello spazio k al centroRadiale 3D con medie auree Ordinamento della proiezione
Campo visivo400 x 400 x 400 mm3400 x 400 x 400 mm3
Dimensione matriceCome desiderato per la risoluzione target320 x 320 x 320 (risoluzione isotropa 1,25 mm)
Larghezza di bandaIn base alle esigenze per la durata della lettura < 1,0 ms888 Hz/pixel
TE< 0,1 ms0,07 ms
TRMinimo (target 3 – 4 ms)3,5 metri quadrati
Angolo di ribaltamentoCirca 5°4.8°
Numero di proiezioniMinimo 100.0001,35,386
Durata dell'immagineMinimo 5 min7 minuti, 54 secondi

Tabella 1: Impostazioni consigliate per l'imaging UTA. Vengono fornite impostazioni consigliate generiche che possono essere utilizzate per guidare l'impostazione del protocollo. Vengono fornite anche le impostazioni consigliate specifiche utilizzate per i dati, come mostrato come risultati rappresentativi. Le specifiche dei parametri sono generiche tra i fornitori, ad eccezione della larghezza di banda. Alcuni dei principali fornitori di risonanza magnetica specificano la larghezza di banda come Hz/Pixel. Altri importanti fornitori di risonanza magnetica specificano la larghezza di banda assoluta. La larghezza di banda consigliata (888 Hz/Pixel) corrisponde a una larghezza di banda assoluta di 284.160 Hz.

2. Ricostruzione dell'immagine UTE mediante soft-gating respiratorio basato su immagini

NOTA: il codice MATLAB per completare i seguenti passaggi è fornito all'https://github.com/pniedbalski3/UTE_Reconstruction.

  1. Importa dati e traiettorie nello spazio k in MATLAB. Il codice per l'importazione dei dati MRI grezzi è disponibile per tutti i principali fornitori di MRI.
  2. Scartare le prime 1000 proiezioni per assicurarsi che i dati siano in magnetizzazione stazionaria.
    NOTA: Se la sequenza di imaging utilizzata include scansioni fittizie prima dell'acquisizione dei dati, questo passaggio può essere saltato.
  3. Ricostruisci un'immagine a bassa risoluzione utilizzando un sottoinsieme di dati molto piccolo.
    1. Ricostruisci l'immagine utilizzando una trasformata di Fourier veloce non uniforme fino a una dimensione della matrice di 96 x 96 x 96.
    2. Utilizzare circa 200 proiezioni, corrispondenti a 0,6-0,8 s di dati.
    3. Ricostruisci e memorizza le immagini di tutti gli elementi della bobina, nonché un'immagine finale combinata della bobina.
  4. Nell'immagine risultante con la bobina combinata, selezionare una fetta coronale che mostri chiaramente il diaframma.
    NOTA: Il codice fornito chiederà all'utente di selezionare una fetta contenente il diaframma.
  5. Una volta selezionata questa fetta, visualizzare le immagini delle singole bobine per questa fetta e selezionare uno o due elementi della bobina che mostrano al meglio il diaframma (Figura 2).
    NOTA: Il codice fornito chiederà all'utente di selezionare gli elementi della bobina.
  6. Ricostruisci le immagini utilizzando una finestra scorrevole per generare immagini con una risoluzione temporale di ~0,5 s (Figura 2).
    1. Ricostruire solo i dati degli elementi della bobina selezionati nel passaggio 2.4.
      NOTA: Mentre tutti gli elementi della bobina possono essere ricostruiti, solo gli elementi più vicini al diaframma sono necessari per visualizzare il diaframma ai fini dell'auto-gating respiratorio. Ricostruendo solo gli elementi della bobina più vicini al diagramma, il tempo di ricostruzione e il carico computazionale si riducono drasticamente.
    2. Utilizzare le prime 200 proiezioni per ricostruire un'immagine utilizzando una trasformata di Fourier veloce non uniforme (Figura 2). Conservare solo la fetta che mostra il diaframma (come indicato al punto 2.4).
      NOTA: Alla fine, verranno generate fino a 1500 immagini; è necessaria solo una fetta 2D per visualizzare la posizione del diaframma e la memorizzazione di immagini 3D per ciascuno dei gradini della finestra scorrevole sarebbe proibitiva.
    3. Spostamento di 100 proiezioni (cioè, la prima immagine viene ricostruita utilizzando le proiezioni 1-200. La seconda viene ricostruita utilizzando le proiezioni 101 - 300) e ricostruire un'immagine aggiuntiva, memorizzando la fetta selezionata al punto 2.4.
    4. Continuare fino a quando tutte le proiezioni sono state utilizzate per generare le immagini.
  7. Selezionare una linea sopra il diaframma nella prima delle immagini della finestra scorrevole. Assicurati che la linea sia abbastanza lunga da estendersi nei polmoni di 5-10 voxel e nel diaframma di 5-10 voxel.
  8. Visualizza il movimento respiratorio visualizzando questo navigatore respiratorio per tutte le proiezioni.
  9. Determinare la posizione del diaframma per tutti i navigatori respiratori. Ci sono diversi modi per farlo, ma un metodo semplice è quello di utilizzare il metodo25 di Otsu per dividere il lato più scuro (polmone) dal lato più luminoso (diaframma).
  10. Utilizzare la posizione del diaframma per etichettare le proiezioni come appartenenti a un determinato contenitore respiratorio. Se un dato navigatore respiratorio mostra il diaframma in "posizione 1", allora le 200 proiezioni utilizzate per generare l'immagine per quel navigatore apparterrebbero al "bin 1".
    NOTA: poiché le immagini sono state generate utilizzando una finestra scorrevole con una sovrapposizione di 100 proiezioni, alcune proiezioni potrebbero essere etichettate come appartenenti a più contenitori. La risoluzione spaziale grossolana delle immagini delle finestre scorrevoli porta a un totale di ~4-6 contenitori che coprono l'intera gamma di ispirazione fino alla scadenza.
  11. Selezionare il contenitore da ricostruire determinando quale contenitore ha il maggior numero di proiezioni, che devono corrispondere alla scadenza finale.
    1. In alternativa, ricostruire le immagini per le fasi respiratorie desiderate sulla base dell'ispezione visiva del navigatore respiratorio.
  12. Genera pesi per il soft-gating14.
    1. Utilizzare un filtro esponenziale per fornire un peso di 1 alle proiezioni all'interno del contenitore primario e un peso notevolmente ridotto alle proiezioni all'interno di diversi contenitori respiratori.
  13. Utilizza il Berkely Advanced Reconstruction Toolbox (BART; https://mrirecon.github.io/bart/)26,27 per ricostruire un'immagine ad alta risoluzione nel contenitore respiratorio desiderato.
    NOTA: BART è una cassetta degli attrezzi disponibile gratuitamente per la ricostruzione dell'immagine MRI.
    1. Calcola i pesi di compensazione della densità utilizzando la combinazione di densità iterativa.
    2. Scala i pesi di compensazione della densità in base ai pesi di iniezione morbida.
    3. Bilancia i dati in base alla compensazione della densità e ai pesi soft-gating
    4. Eseguire una trasformata di Fourier veloce non uniforme di base (NUFFT) per facilitare la combinazione delle bobine.
    5. Converti l'immagine NUFFT in k-space a griglia da utilizzare per la combinazione di bobine.
    6. Genera una matrice di combinazione di bobine e usala per combinare le bobine sia per i dati grezzi che per lo spazio k grigliato.
    7. Stimare la sensibilità della bobina.
    8. Esegui la ricostruzione del senso compresso per l'imaging parallelo utilizzando la compensazione della densità ponderata, i dati combinati della bobina e le mappe di sensibilità della bobina.
  14. Salva l'immagine finale. Il formato NIFTI è facilmente implementabile. Se l'immagine deve essere caricata su un sistema PAC, potrebbe essere necessario un formato DICOM.

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Figura 2: Self gating basato su immagini. (1) Utilizzando un'immagine a bassa risoluzione ricostruita da un piccolo numero di proiezioni (per l'efficienza computazionale), identificare una fetta coronale che mostri chiaramente il diaframma. (2) Esaminando le immagini dei singoli elementi della bobina, selezionare gli elementi della bobina più vicini al diaframma. (3) Esecuzione di una ricostruzione a finestra scorrevole solo degli elementi della bobina più vicini al diaframma (per l'efficienza computazionale). Le immagini possono essere generate da sottoinsiemi di 200 proiezioni (corrispondenti a ~0,8 s); Mediante proiezioni sovrapposte, è possibile ottenere una risoluzione pseudo-temporale di ~0,5 s nelle immagini. (4) Identificazione di una linea perpendicolare al diaframma da utilizzare come navigatore respiratorio. (5) La visualizzazione dei dati dell'immagine su questa linea mostra il movimento respiratorio, che può essere utilizzato per raggruppare le immagini. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

3. Ricostruzione dell'immagine UTE mediante soft-gating respiratorio basato sullo spazio k

  1. Completare i passaggi 2.1-2.4 in modo da poter identificare l'elemento della bobina più vicino al diaframma.
  2. Generare una traccia di serie temporale k0 utilizzando il valore assoluto del primo punto della proiezione per tutte le proiezioni per l'elemento bobina selezionato. Ciò fornirà una visualizzazione di una forma d'onda respiratoria.
  3. A passi di 5000 proiezioni, normalizzare k0 in base all'intensità media del segnale di quegli stessi k0 punti28. Ciò mitiga la deriva dell'intensità del segnale nel tempo e fornisce una migliore capacità di raggruppare quantitativamente le proiezioni.
  4. Etichetta ogni punto k0 come se si verificasse durante l'inspirazione o l'espirazione.
    1. Smussa la serie temporale k0 e prendi la derivata per valutare la pendenza per ogni punto sulla traccia di gating.
    2. Etichetta i punti di ispirazione in base al segno della pista. Una pendenza positiva corrisponde all'espirazione, mentre una pendenza negativa corrisponde all'inspirazione.
  5. Proiezioni dei contenitori in base all'intensità del segnale. Poiché la profondità della respirazione può essere variabile, le proiezioni dei contenitori si basano sull'ampiezza del segnale piuttosto che sulla posizione nella fase respiratoria.
    NOTA: Un metodo semplice e rapido per ottenere questo risultato è implementare il clustering k-means per identificare diversi livelli di intensità del segnale.
  6. Per i contenitori intermedi tra l'inspirazione finale e la scadenza finale, identificare le proiezioni che si verificano durante l'inspirazione e l'espirazione in base al passaggio 3.4.
  7. Completare la ricostruzione dell'immagine seguendo i passaggi forniti nei passaggi da 2.10 a 2.13.
  8. Se lo si desidera, ricostruire le immagini per tutti i contenitori respiratori piuttosto che solo alla fine della scadenza.

Risultati

I risultati rappresentativi (Figura 3) sono stati generati utilizzando le impostazioni mostrate nella Tabella 1. La durata dell'imaging utilizzata fornisce immagini di alta qualità tollerabili dalla maggior parte dei partecipanti.

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Figura 3: Immagini UTE rappresentative generate. Le sezioni coronali, sagittali e assiali delle immagini vengono mostrate per lo stesso paziente con set di dati ricostruiti utilizzando sia l'immagine che il gating basato sullo spazio k, nonché l'hard gating e il soft gating. Una regione in ogni immagine (quadrati) viene mostrata ingrandita per evidenziare le differenze di risoluzione tra le immagini. Per questo partecipante, l'immagine e il gating basato sullo spazio k si comportano in modo simile nel mitigare il movimento respiratorio. Il soft-gating riduce la sfocatura delle immagini. Il rapporto segnale/rumore parenchimale approssimativo in ciascuna immagine è: Hard-gating basato su immagini: 3,2; Soft-gating basato su immagini: 3,6; Hard-gating in base K0: 4.3; Soft-gating basato su K0: 3.2. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Attraverso questo protocollo, è possibile generare immagini MRI ad alta risoluzione dei polmoni alla fine dell'espirazione. Dopo l'acquisizione dell'immagine a respirazione libera, il movimento respiratorio può essere visualizzato utilizzando il gating basato su immagini o k-space. Per una qualità dell'immagine ottimale, queste immagini vengono acquisite utilizzando bobine di array di ricevitori multicanale. Pertanto, è essenziale identificare l'elemento della bobina più vicino al diaframma per avere la massima sensibilità al movimento respiratorio (Figura 2). L'indice dell'elemento della bobina più vicino al diaframma può cambiare da scansione a scansione in base al posizionamento della bobina. Di conseguenza, è importante visualizzare le immagini dei singoli elementi della bobina per ogni scansione per garantire la corretta identificazione dell'elemento della bobina corretto.

Se si utilizza il gating basato su immagini, la ricostruzione della finestra scorrevole viene utilizzata per generare immagini di una singola fetta che mostra il diaframma. Dopo la ricostruzione dell'immagine della finestra scorrevole, il diaframma dovrebbe essere chiaramente visibile in ciascuna di queste immagini. Se il diaframma non è chiaramente visibile, potrebbe essere necessario ripetere questa ricostruzione utilizzando diversi elementi della bobina. Una linea valutata sopra il diaframma consente la visualizzazione del movimento respiratorio nel tempo. Allo stesso modo, il punto k0 quando si utilizza il gating basato sullo spazio k consente anche la visualizzazione del movimento respiratorio.

In un partecipante che rimane fermo e respira regolarmente, sia il gating basato su immagini che quello k-space mostrano una forma d'onda respiratoria coerente. In un partecipante meno accondiscendente, entrambi i metodi di gating possono identificare le regioni temporali in cui si verifica una respirazione irregolare. Nella Figura 4 sono mostrati i gating basati su immagini e k-space per i partecipanti particolarmente conformi e particolarmente non conformi. Analogamente al lavoro precedente 7,13, i risultati mostrati qui suggeriscono che il gating basato su immagini può fornire una migliore fedeltà dell'immagine rispetto al gating basato su k0.

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Figura 4: k0 e tracce di gating basate su immagini per un partecipante con respirazione molto regolare (a sinistra) e un partecipante che respirava in modo superficiale e irregolare (a destra). Le immagini rappresentative per il gating basato su immagini e k0 per entrambi i partecipanti sono mostrate sotto le tracce di gating, inclusa una regione ingrandita dell'immagine per evidenziare le differenze tra le immagini. Per i partecipanti che respiravano regolarmente, il gating basato su immagini e k0 ha avuto prestazioni simili. Per il partecipante che ha respirato in modo irregolare, entrambe le immagini mostrano una qualità relativamente scarsa, sebbene il gating basato su immagini abbia avuto prestazioni leggermente migliori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Dopo la visualizzazione del movimento respiratorio, è possibile ricostruire immagini con un numero arbitrario di fasi respiratorie. Questo protocollo ha principalmente lo scopo di generare una singola immagine alla fine della scadenza (Figura 3). Le immagini a fine espirazione tendono ad avere la migliore qualità dell'immagine e SNR a causa del maggior numero di proiezioni acquisite durante l'espirazione e della maggiore densità dei polmoni durante questa fase respiratoria.

Poiché le immagini volumetriche 3D richiedono un numero enorme di proiezioni per essere completamente campionate, è pratica comune raccogliere immagini sottocampionate. Nel protocollo descritto nella Tabella 1, viene utilizzato circa il 60% del campionamento. I metodi di imaging 3D a spirale e radiale 3D tendono ad essere robusti per il sottocampionamento, quindi questo in genere non è un ostacolo significativo alla raccolta di immagini ad alta risoluzione. Tuttavia, il gating retrospettivo riduce il numero di proiezioni in queste immagini già sottocampionate, quindi la sfocatura e gli artefatti possono essere un problema, in particolare nei partecipanti meno conformi che potrebbero non avere un modello di respirazione regolare. L'uso del soft gating può aiutare a mitigare la sfocatura e gli artefatti dovuti al sottocampionamento, come mostrato nella Figura 3 e nella Figura 5.

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Figura 5: Benefici e rischi del soft-gating. Le immagini di scadenza (A) vengono in genere generate utilizzando un numero molto maggiore di proiezioni e quindi non sono così suscettibili agli artefatti dell'immagine quando si utilizza l'hard-gating. Le immagini di ispirazione vengono generate con un numero molto inferiore di proiezioni e, quindi, l'hard gating può portare a riduzioni della qualità dell'immagine e degli artefatti dell'immagine (B). Il soft-gating può ridurre questi artefatti e migliorare la risoluzione e la qualità dell'immagine (C), ma è necessario prestare attenzione all'uso di una ponderazione di proiezione appropriata. Se viene implementata una ponderazione insufficiente, le immagini possono essere sfocate e perdere fedeltà alla fase respiratoria target (D). Le regioni di ciascuna immagine vengono mostrate ingrandite per evidenziare le differenze di risoluzione e posizione del diaframma. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

La Figura 3 mostra le immagini UTE ricostruite utilizzando sia il gating basato su immagini che quello k-space, nonché utilizzando sia il soft-gating che l'hard-gating. Il gating basato sull'immagine e sullo spazio k mostrano entrambi la capacità di risolvere il diaframma alla fine della scadenza, sebbene, come notato sopra, diversi gruppi abbiano dimostrato una compensazione del movimento superiore quando si utilizza il gating basato su immagini11,13. L'hard gating, nel caso delle immagini di scadenza mostrate nella Figura 3, non comporta artefatti significativi dell'immagine. Tuttavia, nelle immagini di ispirazione, che vengono ricostruite con meno proiezioni, l'hard gating si traduce in una riduzione del rapporto segnale/rumore e in un aumento degli artefatti di sottocampionamento. Il soft gating aumenta la nitidezza delle immagini e, nel caso delle immagini di ispirazione, sopprime gli artefatti dell'immagine (Figura 5). Tuttavia, è necessario prestare attenzione al soft-gating, perché se le proiezioni indesiderate non vengono ponderate correttamente, la fedeltà del movimento può andare persa (Figura 5). Le immagini di ispirazione sono particolarmente suscettibili alla sfocatura del diaframma, dato il numero molto maggiore di proiezioni di fine espirazione.

Al momento della ricostruzione, si possono osservare caratteristiche relative alla normale fisiologia polmonare e fisiopatologica (Figura 6). In un'immagine di alta qualità con ricostruzione ottimizzata, è possibile visualizzare le vie aeree fino alla 3ao 4a generazione. Inoltre, la vascolarizzazione più grande è visibile, in particolare nelle regioni centrali dei polmoni. Nei pazienti con malattia polmonare interstiziale, sono visibili caratteristiche coerenti con le caratteristiche della TC, come opacità a vetro smerigliato e nido d'ape (Figura 6). In alcuni casi, caratteristiche come l'intrappolamento dell'aria o l'enfisema possono essere dedotte dalle immagini, ma in genere l'SNR all'interno del parenchima polmonare è troppo basso per identificare con sicurezza queste caratteristiche per l'imaging acquisito a 3T.

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Figura 6: Confronto tra TC e risonanza magnetica UTE. (A) L'imaging TC (1acolonna) supera chiaramente la risonanza magnetica UTE (2a colonna) in termini di risoluzione e qualità dell'immagine. Le regioni delle immagini TC (3acolonna) e UTE MRI (4a colonna) sono ingrandite per facilitare la comparabilità tra le immagini. Tuttavia, nella risonanza magnetica UTE possono essere visualizzate caratteristiche importanti, come l'ampia vascolarizzazione, le grandi vie aeree e le caratteristiche della struttura relative alla fisiopatologia polmonare, come l'alveolamento in (B) e l'opacità del vetro smerigliato in (C). Sebbene la risonanza magnetica UTE non abbia la stessa capacità di risolvere le vie aeree della TC, le vie aeree fino alla 3a o4a generazione possono essere segmentate manualmente dalle immagini (D). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Discussione

Quando si esegue l'imaging UTE dei polmoni, è possibile utilizzare molte varianti sia di acquisizione che di ricostruzione per generare immagini dei polmoni. Questo protocollo si concentra sulla facilità di implementazione e sull'efficienza computazionale. L'imaging con UTE radiale 3D è relativamente semplice, con sequenze di imaging generalmente disponibili presso i principali fornitori di risonanza magnetica. Vengono forniti strumenti basati su MATLAB per la gestione dei dati e l'auto-gating. Poiché la maggior parte delle istituzioni accademiche ha accesso alle licenze MATLAB, questo codice dovrebbe essere ampiamente utilizzabile e facilmente implementabile. Il codice MATLAB fornito è adattato all'acquisizione di immagini utilizzando una sequenza di immagini costruita internamente su uno scanner MRI Siemens 3T. Altre sequenze e piattaforme di risonanza magnetica possono richiedere alcune modifiche del codice per leggere correttamente i dati di imaging.

I file di dati di imaging grezzi per queste immagini sono molto grandi (>10 GB) e quindi gli algoritmi di ricostruzione sono costosi dal punto di vista computazionale. Di conseguenza, la ricostruzione dell'immagine può richiedere molto tempo. Il Berkely Advanced Reconstruction Toolbox (BART; https://mrirecon.github.io/bart/)26,27 fornisce strumenti di ricostruzione delle immagini di alta qualità che sono facilmente implementabili ed efficienti dal punto di vista computazionale. BART è facilmente integrabile negli strumenti basati su MATLAB forniti per l'auto-gating. La pipeline fornita che implementa il gating retrospettivo basato su immagini e BART richiede 20-30 minuti per generare immagini da dati grezzi. Questa operazione viene eseguita su un computer con 128 GB di RAM e un processore Intel i9 da 3,00 GHz di 13a generazione. Attualmente, il protocollo non utilizza un'unità di elaborazione grafica (GPU) per accelerare il calcolo, anche se questo potrebbe essere implementato per ridurre ulteriormente il tempo di calcolo. Si consiglia un computer con almeno 64 GB di RAM per garantire una memoria adeguata per la gestione dei grandi set di dati coinvolti in questo protocollo.

La scelta dell'immagine rispetto all'immagine L'auto-gating basato su K-Space può influire sui flussi di lavoro e sulla qualità dell'immagine. Sebbene il gating basato sullo spazio k sia più veloce, può risolvere le fasi respiratorie con minore precisione13. Il gating basato su immagini richiede più tempo per l'esecuzione, dato il tempo necessario per la ricostruzione della finestra scorrevole (~5 minuti utilizzando il codice Matlab fornito), ma questo metodo può fornire una migliore fedeltà al movimento del diaframma e quindi fornire immagini con una sfocatura del movimento ridotta.

Una serie di miglioramenti potrebbero essere apportati a questo protocollo a scapito della facilità di applicazione, dell'efficienza computazionale o del tempo di ricostruzione dell'immagine. Le immagini possono essere acquisite con un numero maggiore di proiezioni, il che aumenterebbe la qualità delle immagini ma richiederebbe una maggiore durata di scansione e un tempo di ricostruzione aggiuntivo. A seconda del numero di proiezioni aggiunte, potrebbe essere necessaria anche una memoria aggiuntiva del computer per archiviare i set di dati molto grandi. Si potrebbe anche incorporare un'ulteriore sofisticazione nel gating, come l'utilizzo di una ricostruzione dell'immagine a risoluzione più elevata nella ricostruzione della finestra scorrevole. Questo, ancora una volta, aumenterebbe il carico computazionale di questo protocollo. Inoltre, potrebbe essere implementata una ricostruzione dell'immagine più avanzata, come tecniche come iMoCo29,30. Sebbene questi miglioramenti possano portare a una migliore qualità dell'immagine, comportano un aumento significativo del tempo di calcolo e, quindi, potrebbero esserci rendimenti decrescenti.

Il presente protocollo è incentrato sulla risonanza magnetica strutturale. Una varietà di modifiche potrebbe essere apportata a questo protocollo per interrogare invece la funzione polmonare, come l'utilizzo della risonanza magnetica potenziata con ossigeno31,32 o l'utilizzo dell'analisi PREFUL28,33.

In definitiva, questo protocollo consente l'acquisizione di immagini MRI ad alta risoluzione dei polmoni utilizzando una strategia di acquisizione di 5-8 minuti, a respirazione libera. I dati grezzi acquisiti durante l'acquisizione delle immagini possono essere controllati retrospettivamente, generando immagini in diverse fasi respiratorie che non sono corrotte dal movimento respiratorio. Questo protocollo ha enfatizzato la facilità di implementazione e l'efficienza computazionale, con un tempo complessivo di ricostruzione dell'immagine di 20-30 minuti utilizzando una workstation ad alte prestazioni. Una volta stabilita, la ricostruzione dell'immagine può essere eseguita con un intervento minimo da parte dell'utente, anche se i requisiti di selezione manuale di una fetta di immagine che mostra il diaframma e gli elementi della bobina più appropriati impediscono al protocollo di essere completamente automatizzato. Sebbene la risonanza magnetica dei polmoni non sia comunemente eseguita in clinica, una maggiore disponibilità di risonanza magnetica UTE nel tempo può aumentarne l'utilizzo per chiarire la struttura polmonare.

Dichiarazioni

Peter Niedbalski riceve finanziamenti per la ricerca dalla National Scleroderma Foundation, dall'American Heart Association e dal NIH. È consulente per Polarean Imaging Plc., un'azienda che sviluppa la tecnologia MRI iperpolarizzata 129Xe.

Ringraziamenti

Lo sviluppo di questo protocollo e le immagini mostrate come risultati rappresentativi sono stati supportati dalla National Scleroderma Foundation.

Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
Bobina per risonanza magnetica toracicaSiemens, GE, Philips,, Altro Fornitore di bobine per risonanza magnetica clinicaN/AA Deve essere utilizzata una bobina toracica a 26 - 32 canali
Workstation ad alte prestazioniHP, Apple o un'altra azienda di hardware per computerN/APer la ricostruzione dell'immagine è necessario un computer con un minimo di 64 GB di memoria
MatlabMathworksR2016A o più recenteÈ necessaria una licenza Matlab per eseguire il codice informatico fornito
MRI PhantomSiemens, GE, Philips o altri fornitori di MRI PhantomN/AQualsiasi Phantom può essere utilizzato per testare la sequenza MRI prima del suo utilizzo in soggetti umani.
magneticaSiemens, GE, Philips o altri fornitori di scanner per risonanza magnetica clinicaN/AIl protocollo è stato sviluppato su uno scanner 3T, ma anche 1,5 T o 0,55 T funzionerebbero con un adattamento minimo
Scanner per risonanza

Riferimenti

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