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.

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.