インプラントの適合性とパルス シーケンスの脆弱性を評価するためにインプラントの金属による MRI アーチファクトの評価のためのプロトコル
2018年5月17日
磁気共鳴イメージングのためのインプラントの適合性および/または金属アーティファクトに対する異なるパルス シーケンスの脆弱性を推定するためのインプラントに磁気共鳴画像アーチファクトを評価する標準化された手法について述べる同時に。
この方法の全体的な目標は、磁気共鳴イメージングに対するインプラントの適合性を評価すること、または金属アーチファクトに対するパルスシーケンスの脆弱性を推定することです。この方法は、インプラントのMRI適合性の評価や金属アーチファクトからのパルスシーケンスの脆弱性の推定など、放射線分野の重要な質問に答えるのに役立ちます。この方法論の主な利点は、脂肪抑制型と非脂肪抑制型のT1およびT2の重み付けで同時に3次元アーティファクト評価が可能になることです。
この技術の意味は、インプラント周囲のアーチファクトの減少に関するMRIプロトコルの最適化を可能にするため、インプラント周囲疾患の診断にまで及びます。このプロトコルのファントムを構築する前に、まず研究するインプラントの容積を決定します。ここでは、水置換法を使用し、サンプルの体積はそれぞれ0.65ミリリットルと0.73ミリリットルを測定しました。
予想されるMRIアーティファクトよりも大きい非強磁性プラスチック防水ボックスを選択し、細い糸を使用してボックスの中央にインプラント位置を固定します。次に、半合成脂肪、水、およびmacrogol-8-ステアレートの混合物を、摂氏50度の水浴を使用して慎重に溶かします。ここでは、各サンプルの埋め込みに500ミリリットルの混合物を使用しました。
混合物が流動的になったら、火を止めてからゆっくりと攪拌し始めます。これを行う間、混合物中の脂肪相と水相が分離していないことを確認してください。次に、凝固が始まるとすぐに、インプラントと一緒にファントムボックスに埋め込み混合物をゆっくりと注ぎ、空気の混入を避けるために徐々に注ぐようにします。
最後に、ファントムを摂氏4度の冷蔵庫に一晩置いて乾燥させ、翌日残っている液体をデカントします。MRI検査では、重大で明らかな信号低下なしに、イメージングボリューム内の均一な信号分布を可能にする無線周波数コイルを使用します。インプラントが埋め込まれたファントムは、無線周波数コイル内にin vivoで配置される方向と同じ方向に配置してください。
ファントムの中央をMRIのアイソセンターに配置します。次に、MRIコンソールでイメージングシーケンスを設定し、ファントムボックス(ボックスの端にある空気を含む)がイメージングボリューム内にあることを確認します。次に、アーティファクトについて評価されるイメージを取得します。
MRIコンソールから画像を圧縮せずに、できればDICOM形式を使用してエクスポートします。次に、画像を後処理ソフトウェアにインポートして、関心領域(ROI)の配置、信号強度の評価、しきい値ベースのセグメンテーション、およびセグメント化されたボリュームの定量化を可能にします。パイルアップ アーティファクトのしきい値を定義し、信号の均質な分布をチェックするには、まずセグメンテーション エディタを使用して、最大アーティファクト サイズのスライス上の可視アーティファクトの外側境界に隣接する垂直線を配置します。
次に、4 つの交点のそれぞれの外側に直径 10 mm の背景 ROI を配置します。次に、プロジェクト ビューで、マテリアル統計ツールを使用して、これら 4 つのバックグラウンド ROI 値内のすべてのボクセルの平均信号強度と標準偏差を測定し、各バックグラウンド ROI を個別に測定します。各バックグラウンドROIの平均信号強度が、他の3つの対応するROIのそれぞれの平均信号の1.5標準偏差内にあることを確認して、均一な信号分布を保証します。
次に、バックグラウンド ROI の 3 つの標準偏差を 4 つの ROI 値のすべてのボクセルの平均信号強度に加算して、パイルアップ アーティファクトのしきい値を計算します。次に、パイルアップアーティファクトの半自動しきい値ベースのセグメンテーションを実行します。マスキング ツールを使用して、定義済みの信号強度範囲を可視化し、セグメンテーションをその範囲に制限して、信号損失アーティファクトに隣接するしきい値より大きい信号強度を持つすべてのボクセルを選択します。
信号損失アーチファクトのしきい値を定義するには、まず、ファントムボックスの角にある直径 10 mm の領域を含む空気中に 4 つの ROI を配置し、次に、その中にあるすべてのボクセルの平均信号強度と標準偏差を測定します。次に、低信号強度の最大接続領域によって定義される信号損失アーティファクトのコアにROIを配置します。次に、この ROI のサイズを、この画面で定義されている最大サイズに手動で増やします。
最後に、このコアROIの平均信号強度と標準偏差を測定します。また、ここで見られるように、信号損失アーティファクトの信号強度しきい値を計算します。次に、このしきい値を下回る信号強度を持つコア ROI に接続されているすべてのボクセルを選択することにより、これらのアーティファクトの半自動しきい値ベースのセグメンテーションを実行します。
セグメンテーション エディターのマスキング ツールを使用して、定義済みの信号強度範囲を可視化し、セグメンテーションをそれに制限します。可能であれば、セグメンテーション エディターの fill 関数を使用して、まだ選択されていないすべてのボクセルを含めます。計算されたアーチファクト体積から物理的なインプラント体積を差し引いて真のアーチファクト体積を求め、この分析を少なくとも 3 回繰り返します。
少なくとも2週間の時間間隔で、学習バイアスを排除するために、これらの複数の読み取りを分離する必要があります。ここでは、パイルアップ・アーチファクトの閾値と信号損失アーチファクトの信号分布を測定するための関心領域の一般的な配置を示します。青色の等高線は、信号損失アーティファクトの半自動セグメンテーションを表しています。
小さな赤い領域は、積み上げられたアーティファクトの結果に対応しています。ここでは、ファントムに使用されているさまざまなシングルクラウンをサポートする歯科インプラントが見られます。これらのグラフは、各インプラントサンプルの平均 3 次元アーティファクト体積と、物理的なインプラント体積を差し引いた後の標準偏差を示しています。
4つのMRIシーケンスが評価されました。ここでは、コバルトクロムタングステンチタンインプラントとジルコニアチタンインプラントのアーティファクトボリュームのレンダリングが示されています。青い領域は信号損失のアーチファクトを表し、赤い領域はパイルアップのアーチファクトを表します。
以下に、評価されたすべてのT-2加重シーケンスの色付きソース画像を示します。この手順を試行する際は、in vitroの結果を正確に移すために、Invivoスキャンと同じ配列パラメータを選択することが重要です。このビデオを見れば、信号損失とパイルアップアーチファクトを標準化された方法で評価する方法を十分に理解できるはずです。
これにより、インプラントのMRI適合性、または金属アーチファクトに対するパルスシーケンスの脆弱性を評価できます。
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概要
本記事では、インプラントによって生じる磁気共鳴画像法（MRI）アーチファクトを評価するための標準化された手法を提示します。この手法は、これらのインプラントのMRI適応性の評価、および様々なパルスシーケンスにおける金属アーチファクトへの感受性の評価を目的としています。
研究の主要構成要素
科学分野
- 放射線科
- 磁気共鳴画像法
- 生物医学工学
背景
- 金属インプラントはMRIスキャンにおいてアーチファクトを生じさせることがあります。
- 正確な画像診断には、これらのアーチファクトを理解することが不可欠です。
- 患者の安全性を確保するためには、インプラントのMRI適合性を評価することが不可欠です。
- 本手法により、異なる撮像条件下でのアーチファクトを包括的に評価することが可能になります。
研究目的
- インプラントのMRI適合性を評価すること。
- パルスシーケンスの金属アーチファクトに対する脆弱性を推定すること。
- インプラント周囲のアーチファクトを低減するためにMRIプロトコルを最適化すること。
使用した手法
- 脂肪抑制および非脂肪抑制のT1強調像およびT2強調像における3次元的なアーチファクト評価。
- インプラントの体積を決定するための排水法。
- アーチファクトの影響を評価するためのサンプル体積の測定。
- MRIプロトコル試験用ファントムの作製。
主な結果
- この手法により、異なる撮像条件の同時評価が可能になります。
- サンプルの体積測定値は、0.65および0.73 millilitersとして記録されました。
- これらの知見は、MRIプロトコルの最適化に寄与します。
- その影響は、インプラント周囲疾患の診断にまで及びます。
結論
- この標準化された手法により、MRIアーチファクトの評価が向上します。
- インプラントを挿入した患者のMRI撮像を改善するための貴重な知見を提供します。
- 今後の応用により、放射線診断における診断結果の向上が期待されます。
よくある質問
産業界における重要性
金属インプラントによるMRIアーチファクトの標準化された評価は、デバイスの適合性におけるリスクを軽減し、トランスレーショナル研究および前臨床研究における撮像プロトコルを最適化するために極めて重要です。アーチファクト体積の定量的な測定により、インプラント設計やパルスシーケンスの客観的な比較が可能となり、画像ベースの意思決定における予測の信頼性が向上します。本プロトコルは、ポートフォリオ全体の再現性と比較可能性を高め、デバイス開発および撮像ワークフローへの統合に直接的に寄与します。
バイオ医薬品研究開発における戦略的応用
初期探索およびターゲットバリデーション
- MRI磁場とインプラント材料の相互作用を体系的に検証し、メカニズムに基づいたリスク低減を可能にします。
- さまざまな撮像条件下でアーチファクトのプロファイルを定量化し、デバイス設計の機能的な検証をサポートします。
- デバイスと撮像の適合性に関する予測的な信頼性を高め、初期段階のポートフォリオ選別を容易にします。
スクリーニングおよびアッセイ開発
- パルスシーケンス間で再現可能なアーチファクト定量化を行うための、検証済みファントムシステムを構築します。
- アーチファクト測定を標準化し、撮像プロトコルやインプラントの種類による信頼性の高い相互比較を可能にします。
- パルスシーケンスの脆弱性のスクリーニングおよび撮像パラメータの最適化のための定量的な出力データを提供します。
トランスレーショナル・前臨床研究
- アーチファクト評価を疾患に関連する画像診断シナリオに適合させ、トランスレーショナルな連続性をサポートします。
- 臨床的に重要なMRIシーケンスにおけるアーチファクトの負荷に基づき、リスク調整されたインプラント候補の推進を可能にします。
- 3次元的に信号欠損とパイルアップ・アーチファクトを区別することで、バイオマーカー整合のための基盤を提供します。
パイプラインおよびワークフローの統合
本プロトコルは、初期のデバイス開発から前臨床イメージングによる検証までを統合したものであり、インプラント材料とMRIパルスシーケンスの両方の反復的な最適化を支援します。
- 探索生物学： アーチファクトプロファイルを定量化し、デバイスとイメージングの相互作用を明らかにして、メカニズムの曖昧さを低減します。
- スクリーニング： プロトコルおよびデバイスのスクリーニングに向けた、再現性のある定量的なアーチファクト指標を確立します。
- 分析： アーチファクトの比較および統計分析のための、標準化された体積リードアウトを提供します。
- トランスレーショナルリサーチ： 前臨床段階の連続性を確保するため、in vitroでのアーチファクト評価とin vivoイメージングの要件を橋渡しします。
- エンタープライズ再利用： 継続的なデバイスおよびイメージングプロトコルの評価に向けた、再利用可能な標準化ワークフローを提供します。
運用および企業への影響
- 科学的価値： デバイスのMRI適合性に関する予測信頼性を向上させ、撮像における不確実性を低減します。
- 運用上の価値： チーム間および研究間でのアーチファクト評価における標準化と再現性を促進します。
- 戦略的価値： デバイスの開発推進および撮像プロトコル選定に関する意思決定（go/no-go判断）に寄与します。
- ポートフォリオへの影響： 定量的なアーチファクトデータに基づき、インプラントおよび撮像候補のリスク調整済み優先順位付けを可能にします。
実施上の考慮事項
- MRI物理学、アーチファクト解析、および定量イメージングに関する専門知識が必要です。
- MRIスキャナー、適合するファントム、および高度な画像解析ソフトウェアへのアクセスが必要です。
- 撮像パラメータおよび解析しきい値について、チーム間での厳格な標準化が求められます。
- プロトコル固有の調整を行うことで、さまざまなインプラントの種類やMRIパルスシーケンスに適応可能です。
- 比較可能性を確保するため、ROIの設定およびセグメンテーション手法の一貫性に依存します。
