Methodenartikel

Protocol voor de beoordeling van de MRI artefacten, veroorzaakt door Metal implantaten voor de beoordeling van de geschiktheid van implantaten en de kwetsbaarheid van Pulse sequenties

DOI:

10.3791/57394

⸱

17 mei 2018

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

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

We beschrijven een gestandaardiseerde methode om te evalueren van magnetische resonantie beeldvorming artefacten, veroorzaakt door implantaten te schatten van de geschiktheid van de implantaten voor magnetische resonantie beeldvorming en/of de kwetsbaarheid van de verschillende pols sequenties voor metalen artefacten tegelijkertijd.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Als het aantal magnetische resonantie beeldvorming (MRI) scanners en patiënten met medische implantaten constant groeit, tegenkomen radiologen steeds metalen implantaat-gerelateerde artefacten in MRI, wat resulteert in verminderde beeldkwaliteit. Dus, de geschiktheid van de MRI van implantaten in termen van artefact volume, evenals de ontwikkeling van pulse sequenties te verminderen beeld artefacten, worden steeds meer en meer belangrijk. Hier presenteren we een uitgebreide protocol dat voor een gestandaardiseerde evaluatie van het artefact volume van implantaten op MRI zorgt. Bovendien, dit protocol kan worden gebruikt voor het analyseren van de kwetsbaarheid van de verschillende pols sequenties voor artefacten. Het voorgestelde protocol kan worden toegepast op de T1 - en T2-gewogen beelden, met of zonder vet-onderdrukking en alle passieve implantaten. Bovendien is de procedure schakelt de aparte en driedimensionale identificatie van signaal verlies en pile-up artefacten. Zoals vorige onderzoeken sterk in evaluatiemethoden verschilde, was de vergelijkbaarheid van de resultaten beperkt. Dus, gestandaardiseerde metingen van MRI artefact volumes nodig zijn om te zorgen voor een betere vergelijkbaarheid. Dit kan verbetering van de ontwikkeling van de geschiktheid van de MRI van implantaten en beter pulse sequenties ten slotte verbetering van patiëntenzorg.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

MRI is uitgegroeid tot een onmisbaar diagnostische tool. Dientengevolge, is het aantal MRI-systemen die worden gebruikt in de routine diagnostiek verdere verhoging van1. Op hetzelfde moment groeit het aantal patiënten met implantaten ook2,3. In 2012, bijvoorbeeld, zijn meer dan 1 miljoen knie en gewrichtsvervanging uitgevoerd in de VS alleen4. De prevalentie van dergelijke implantaten was ongeveer 7 miljoen in 2010, hetgeen overeenkomt met meer dan 10% van de vrouwen in de leeftijdsgroep 80-89 jaar5. Dientengevolge, zijn de beeldkwaliteit en de diagnostische betekenis van MRI-onderzoeken vaak aangetast door artefacten als gevolg van metalen implantaten, wat resulteert in een verminderde diagnostische nauwkeurigheid. Dus, de geschiktheid van de MRI van implantaten en de kwetsbaarheid van de artefact van pulse sequenties zijn steeds belangrijker. Talrijke benaderingen zijn gepubliceerd om te evalueren van deze kenmerken. Echter, als gevolg van de sterke verschillen in de gebruikte evaluatiemethoden zijn de respectieve resultaten moeilijk te vergelijken.

Een evaluatie van de geschiktheid van de MRI van materialen kan worden uitgevoerd door het berekenen van hun magnetische gevoeligheid6. Echter, niet de kwetsbaarheid van de verschillende pols sequenties voor artefacten vergeleken worden met die benadering voor een bepaald implantaat. Omgekeerd, het artefact volumes voor een bepaalde pulse-reeks kan slechts worden ongeveer geraamd voor verschillende implantaten. Daarnaast wordt de analyse vaak uitgevoerd met kunstmatig gevormde implantaten7,8. Zoals de materiële volume en vorm een invloed op het artefact grootte6 hebben, moeten deze functies ook rekening worden gehouden. Als alternatief voor magnetische gevoeligheid, kan het artefact grootte worden geëvalueerd. Vaak vertrouwen studies alleen op de kwalitatieve evaluatie van de artefact grootte9 of de focus op de grootte van de twee-dimensionale artefact maar het beslaat wel één segment van de implantaat artefact10,11. Bovendien, handmatige segmentatie benaderingen worden vaak gebruikt, die is niet alleen tijdrovend, maar ook gevoelig voor intra - en intersite - reader verschillen11. Ten slotte protocollen zijn vaak niet toereikend om te testen voor niet-vet-verzadigd, en vet-verzadigd sequenties op de dezelfde tijd12. Dit zou echter wenselijk, aangezien de toegepaste vet onderdrukking techniek diep de grootte van het artefact beïnvloedt.

Hier presenteren we een protocol dat voorziet in de betrouwbare, halfautomatische, drempel gebaseerde, driedimensionale kwantificering van signaal verlies en pile-up artefacten van het gehele implantaat, of alle segmenten met zichtbare implantaat artefacten. Bovendien, het staat voor het testen van de T1 - en T2-gewogen beelden, met of zonder vet-verzadiging. Het protocol kan worden gebruikt om de geschiktheid van de MRI van verschillende implantaten of de kwetsbaarheid van de verschillende pols sequenties voor metalen artefacten voor een bepaald implantaat te evalueren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. phantom voorbereiding

  1. Vastgesteld wat de omvang van het implantaat (bijvoorbeeldmet behulp van de methode van waterverplaatsing).
    Opmerking: Het volume van het monster CCT-T en het Z-T monster gemeten 0,65 mL en 0.73 mL, respectievelijk.
  2. Fix het implantaat standpunt in het midden van een niet-Ferromagnetische, waterdichte kunststof doos met behulp van een dunne draad. Een vak dat groter is dan de verwachte MRI artefacten gebruiken.
    Opmerking: Als er geen ruwe schattingen van de volumes van de artefact van het implantaat en/of puls opeenvolging van belang zijn, een test-scan uitvoert door het plaatsen van de phantom in een doos, ongeveer 10 x groter is dan de phantom, gevuld met water. De artefact-volumes in deze studie varieerden van 7.3 mL (voor het monster van CCT-T) en 0.09 mL (voor het Z-T monster).
  3. Zorgvuldig het smelten van een mengsel van semisynthetic vet (58,8%), water (40%) en macrogol-8-stearate (1,2%), met behulp van een waterbad van 50 ° C.
    Opmerking: Voor de monsters in deze studie, hebben we een 500 mL van het mengsel gebruikt voor het insluiten van elk monster.
    1. Als het mengsel vloeistof wordt, stoppen verwarming beginnen met langzaam roeren en stoppen met verwarming. Zorg ervoor dat er geen scheiding van de fasen van vet en water.
  4. Zodra de stolling begint, langzaam beginnen het implantaat te embedding met het mengsel. Giet het insluiten mengsel langzaam in de phantom doos met het implantaat hiervoor.
    Opmerking: Gieten moet worden uitgevoerd langzaam om te voorkomen dat de lucht opnemen.
  5. Plaats de phantom doos met het ingesloten implantaat in de koelkast bij 4 ° C's nachts voor uitdroging. De volgende dag, Verwijder eventuele resterende vloeistof onderdelen door decanteren.

2. MRI onderzoek

  1. De phantom (doos met het ingesloten implantaat) plaatst in de MRI in dezelfde richting als in de in vivo situatie. Plaats het midden van de phantom in de isocenter van de MRI.
  2. Voor metingen, gebruikt u een coil die voor een homogene signaal distributie binnen het imaging volume zonder ernstige en duidelijke signaal druppels (b.v., een hoofd spoel zorgt).
  3. Wanneer de planning van de MRI scans bij de console van de MRI, zorgen ervoor dat de phantom box, inclusief wat lucht aan de randen van het vak binnen het imaging volume.
  4. Vervolgens het MRI-onderzoek uitvoeren.

3. analyse en na verwerking van het beeld

  1. Exporteer de beelden zonder verlies van kwaliteit (bijvoorbeelddoor compressie) van de MRI console (bijvoorbeeldmet behulp van de DICOM-indeling). De afbeeldingen in een MRI post-processing software die het mogelijk maakt voor het plaatsen van de regio van belangen (ROI), evaluatie ROI signaal intensiteit, een drempel gebaseerde segmentatie en een kwantificering van de volumes van de segmentatie (Zie Tabel van materialen) importeren.
  2. Om te definiëren van de drempel voor pile-up artefacten en controleren voor een homogene signaal distributie binnen het imaging volume, plaats lijnen loodrecht op elkaar en grenzend aan de buitenste rand van het zichtbaar artefact op het segment met de maximale artefact grootte ( Figuur 1a).
    Opmerking: Pile-up artefacten zijn verplaatsing artefacten, presenteren met gebieden met kunstmatig hoog signaal intensiteit. Ze komen in de richting van het segment en de uitlezing richting.
    1. Plaats een achtergrond ROI (ROIachtergrond) met 10 mm diameter buiten elk van de vier snijpunten (Figuur 1a). Plaats de regels en de achtergrond-regio's van belangen met behulp van de segmentatie-editor.
    2. De gemiddelde signaal intensiteit en de standaarddeviatie (SD) van alle voxels binnen deze 4 ROIachtergrond waarden en voor elke ROIachtergrond apart meten. Gebruik het hulpprogramma Statistieken van het materiaal in de projectweergave.
    3. Zorg ervoor dat de gemiddelde signaal intensiteit van elke ROIachtergrond binnen het bereik van ± 1,5 SD van het gemiddelde signaal van elk van de andere 3 tegenhangers te garanderen van een homogene signaal distributie.
    4. De drempel voor pile-up artefacten door 3 SD van ROIachtergrond toe te voegen aan de gemiddelde signaal intensiteit van alle voxels van deze 4 ROIachtergrond waarden berekenen. Een semi-automatische drempel gebaseerde segmentatie van pile-up artefacten uitvoeren door het selecteren van alle voxels met het signaal intensiteit groter is dan de drempel grenzend aan het signaal verlies artefact in elk segment. Maskeren programma de segmentatie-editor gebruiken om te visualiseren van de vooraf gedefinieerde intensiteit signaalbereik en beperken van de segmentatie op het.
  3. Als u wilt definiëren de drempel voor signaal verlies artefacten, 4 regio's van belangen (ROIs) plaats in lucht-bevattende regio's (ROIlucht; elk 10 mm diameter) op de hoeken van de phantom vak en de gemiddelde signaal intensiteit en SD van alle voxels binnen deze 4 ROI meten Lucht zoals beschreven in stap 3.2, met behulp van de segmentatie editor en "Materiaal Statistics", respectievelijk.
    Opmerking: Signaal verlies artefacten met voxels met kunstmatig laag signaal intensiteit aanwezig. Ze worden veroorzaakt door dephasing en verplaatsing artefacten.
    1. Plaats een ROI in de kern van het signaal verlies artefact (ROICore) gedefinieerd door het grootste aangesloten gebied van lage signaal intensiteit (Figuur 1a). Handmatig de grootte van de ROI-Core te vergroten totdat de grootst mogelijke omvang binnen het signaal verlies artefact waarvan gemiddelde signaal intensiteit lager dan het gemiddelde ROIAir + 3 x van de respectieve SD is is gevonden. Ten slotte, de gemiddelde signaal intensiteit en SD van de ROICorete meten.
    2. Berekenen van de signaal intensiteit drempel voor signaal verlies artefacten door toevoeging van 3 SD voor de ROI-Core aan het gemiddelde van de ROI-Core. Een semi-automatische drempel gebaseerde segmentatie van signaal verlies artefacten uitvoeren door het selecteren van alle voxels aangesloten op de ROI-Core met signaal intensiteit de drempel.
    3. Maskeren programma de segmentatie-editor gebruiken om te visualiseren van de vooraf gedefinieerde intensiteit signaalbereik en beperken van de segmentatie op het. Indien mogelijk, gebruik de functie van "Fill" in de kraan "Selectie" van de segmentatie-editor op te nemen van alle voxels binnen de segmentatie die nog niet zijn geselecteerd. Indien van toepassing, moet u handmatig de extra ondubbelzinnige signaal verlies artefacten aan de segmentatie toevoegen.
  4. Het volume van de fysieke implantaat van het berekende artefact volume om het volume van de echte artefact aftrekken. Herhaal de analyse ten minste 3 x. Een tijdsinterval van ten minste twee weken moet scheiden het meerdere luidt om uit te sluiten van een leren vooroordeel.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Met het bovengenoemde protocol, we geëvalueerd het artefact-volume van 2 verschillende tandheelkundige implantaten gemaakt van Titanium (T; Zie de Tabel van materialen) ondersteunende verschillende kronen [porselein-gesmolten-op-metaal niet-edele legering (CCT-T) en monolithische Zirconia (Z-T); Figuur 1b en 1 c]. Het monster van CCT-T vertegenwoordigt een zeer paramagnetisch materiaalsamenstelling voorspellen van grote artef...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het aantal patiënten met metalen implantaten en het aantal MRI-onderzoeken groeit momenteel1,2,3. In het verleden, werden MRI-onderzoeken vermeden na gewrichtsvervanging. Vandaag, MRI is niet alleen gevraagd voor imaging van dergelijke patiënten echter ook ruimte laten voor de evaluatie van complicaties direct grenzend aan gezamenlijke artroplastiek. Dus, de veiligheid van de MRI en de MRI geschiktheid van implantaten, evenals d...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Tim Hilgenfeld, Franz S. Schwindling en Alexander Juerchott ontvangen financiering van een postdoctorale fellowship van de medische faculteit van de Universiteit van Heidelberg. De studie werd gedeeltelijk ondersteund door de Dietmar-Hopp-Stiftung (project nr. 23011228). De auteurs hebben uitdrukkelijk vermeld zijn er geen belangenconflicten in verband met dit artikel.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs bedank Stefanie Sauer, apotheker op het departement van apotheek Heidelberg Universiteitsziekenhuis, voor haar bijdragen aan de MRI phantom. Daarnaast wil wij NORAS MRI producten GmbH (Höchberg, Duitsland) en met name Daniel Gareis bedanken voor het verstrekken van een prototype van de 16-kanaals multifunctionele spoel. Bovendien zijn wij dankbaar voor de vriendelijke samenwerking met SIEMENS Healthcare GmbH (Erlangen, Duitsland) en vooral Mathias Nittka voor hun hulp bij de setup van de reeks.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Aqua B. Braun EcotainerB. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany
Semisynthetisch vet: Witepsol W25Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Germany4051
Macrogol-8-stearaatCaelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Germany3023
Kunststof doos: niet gespecificeerd
Implantaten: Nobel ReplaceNobel Biocare, Zürich, Zwitserland
Waterbad Haake S5PThermo Scientific, Waltham, MA, USA
Meetcilinder Blaubrand Eterna, Klasse A, Boro 3.3BRAND GmbH + Co Kg, Wertheim, Germany32708
Spoel: VariétéNoras MRI products GmbH, Höchberg, Germany
MRI: Magnetom TrioSiemens Healthcare GmbH, Erlangen, Germany
Postprocesing software: Amira 6.4Thermo Scientific, Waltham, MA, USA

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  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).
  2. Cram, P., et al. Total knee arthroplasty volume, utilization, and outcomes among medicare beneficiaries. JAMA. 308 (12), 1227-1236 (1991).
  3. Jordan, R. A., Micheelis, W. Fünfte Deutsche Mundgesundheitsstudie (DMS V). , Deutscher Zahnärzte Verlag DÄV. Köln. (2016).
  4. Steiner, C., Andrews, R., Barrett, M., Weiss, A. HCUP projections mobility/orthopedic procedures 2003 to 2012. , U.S. Agency for Healthcare Research and Quality. Rockville. Report #2012-03 (2012).
  5. Kremers, H., et al. Prevalence of total hip and knee replacement in the United States. The Journal of Bone and Joint Surgery. 97 (17), 1386-1397 (2015).
  6. Schenck, J. The role of magnetic susceptibility in magnetic resonance imaging: MRI magnetic compatibility of the first and second kinds. Medical Physics. 23 (6), 815-850 (1996).
  7. Filli, L., et al. Material-dependent implant artifact reduction using SEMAC-VAT and MAVRIC: a prospective MRI phantom study. Investigative Radiology. 52 (6), 381(2017).
  8. Klinke, T., et al. Artifacts in magnetic resonance imaging and computed tomography caused by dental materials. PloS ONE. 7 (2), (2012).
  9. Lee, J., et al. Usefulness of IDEAL T2-weighted FSE and SPGR imaging in reducing metallic artifacts in the postoperative ankles with metallic hardware. Skeletal Radiology. 42 (2), 239-247 (2013).
  10. Zho, S. -Y., Kim, M. -O., Lee, K. -W., Kim, D. -H. Artifact reduction from metallic dental materials in T1-weighted spin-echo imaging at 3.0 tesla. Journal of Magnetic Resonance Imaging. 37 (2), 471-478 (2013).
  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).
  12. Aguiar, M., Marques, A., Carvalho, A., Cavalcanti, M. Accuracy of magnetic resonance imaging compared with computed tomography for implant planning. Clinical Oral Implants Research. 19 (4), 362-365 (2008).
  13. Talbot, B. S., Weinberg, E. P. MR imaging with metal-suppression sequences for evaluation of total joint arthroplasty. RadioGraphics. 36 (1), 209-225 (2015).
  14. Ai, T., et al. SEMAC-VAT and MSVAT-SPACE sequence strategies for metal artifact reduction in 1.5T magnetic resonance imaging. Investigative Radiology. 47 (5), 267-276 (2012).
  15. Smeets, R., et al. Artefacts in multimodal imaging of titanium, zirconium and binary titanium-zirconium alloy dental implants: an in vitro study. Dento Maxillo Facial Radiology. 46 (2), 20160267(2016).
  16. Nawabi, D. H., et al. MRI predicts ALVAL and tissue damage in metal-on-metal hip arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research. 472 (2), 471-481 (2014).
  17. Cooper, H. J., et al. Early reactive synovitis and osteolysis after total hip arthroplasty. Clinical Orthopaedics and Related Research. 468 (12), 3278-3285 (2010).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Artefactvolumesignaalverliespile up artefactenvetonderdrukte beeldvormingT1 gewogen beeldenT2 gewogen beeldenfantoompreparatie

Gerelateerde artikelen