Artykuł metodologiczny

Protokół oceny artefaktów MRI spowodowanych przez implanty metalowe w celu oceny przydatności implantów i wrażliwości sekwencji impulsów

DOI:

10.3791/57394

⸱

17 maja 2018

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Opisujemy ustandaryzowaną metodę oceny artefaktów obrazowania rezonansu magnetycznego spowodowanych przez implanty, aby oszacować przydatność implantów do obrazowania metodą rezonansu magnetycznego i/lub podatność różnych sekwencji impulsów na artefakty metaliczne jednocześnie.

Streszczenie

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

Ponieważ liczba skanerów rezonansu magnetycznego (MRI) i pacjentów z implantami medycznymi stale rośnie, radiolodzy coraz częściej napotykają w MRI metaliczne artefakty związane z implantami, co skutkuje obniżoną jakością obrazu. W związku z tym coraz ważniejsze staje się dopasowanie implantów do rezonansu magnetycznego pod względem objętości artefaktów, a także opracowanie sekwencji impulsów w celu zmniejszenia artefaktów obrazu. W tym miejscu przedstawiamy kompleksowy protokół, który pozwala na standaryzowaną ocenę objętości artefaktów implantów w rezonansie magnetycznym. Co więcej, protokół ten może być używany do analizy podatności różnych sekwencji impulsów na artefakty. Proponowany protokół może być stosowany do obrazów T1 i T2-zależnych z supresją tłuszczu lub bez niej oraz do wszystkich implantów pasywnych. Ponadto procedura umożliwia oddzielną i trójwymiarową identyfikację artefaktów utraty sygnału i nawarstwiania się. Ze względu na to, że wcześniejsze badania znacznie różniły się pod względem metod oceny, porównywalność ich wyników była ograniczona. W związku z tym ustandaryzowane pomiary objętości artefaktów MRI są niezbędne, aby zapewnić lepszą porównywalność. Może to poprawić rozwój przydatności implantów do rezonansu magnetycznego i lepszych sekwencji impulsów, aby ostatecznie poprawić opiekę nad pacjentem.

Wprowadzenie

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

MRI stało się nieodzownym narzędziem diagnostycznym. W rezultacie liczba systemów MRI wykorzystywanych w rutynowej diagnostyce jeszcze bardziej rośnie1. W tym samym czasie rośnie również liczba pacjentów z implantami2,3. Na przykład w 2012 roku w samych Stanach Zjednoczonych wykonano ponad milion operacji wymiany stawu kolanowego i stawowego4. Rozpowszechnienie takich implantów wyniosło około 7 milionów w 2010 roku, co odpowiada ponad 10% kobiet w grupie wiekowej 80-89 lat5. W rezultacie jakość obrazu i znaczenie diagnostyczne badań MRI są często pogarszane przez artefakty spowodowane metalowymi implantami, co skutkuje zmniejszoną dokładnością diagnostyczną. W związku z tym coraz ważniejsze staje się przydatność implantów do rezonansu magnetycznego oraz podatność sekwencji impulsów na artefakty. Opublikowano wiele podejść do oceny tych cech. Ze względu na duże rozbieżności w stosowanych metodach oceny, odpowiednie wyniki są jednak trudne do porównania.

Ocenę przydatności materiałów do rezonansu magnetycznego można przeprowadzić, obliczając ich podatność magnetyczną6. Nie można jednak porównywać podatności różnych sekwencji impulsów na artefakty z tym podejściem w przypadku danego implantu. I odwrotnie, objętość artefaktów dla danej sekwencji impulsów może być tylko w przybliżeniu oszacowana dla różnych implantów. Ponadto analiza jest często wykonywana za pomocą sztucznie ukształtowanych implantów7,8. Ponieważ objętość i kształt materiału mają wpływ na rozmiar artefaktu6, należy również wziąć pod uwagę te cechy. Jako alternatywę dla podatności magnetycznej można ocenić rozmiar artefaktu. Często badania opierają się tylko na jakościowej ocenie rozmiaru artefaktu9 lub koncentrują się na dwuwymiarowym rozmiarze artefaktu obejmującym tylko jeden wycinek artefaktu implantu10,11. Ponadto często stosuje się ręczne metody segmentacji, które są nie tylko czasochłonne, ale także podatne na różnice między czytelnikami i czytelnikami11. Wreszcie, protokoły często nie pozwalają na testowanie sekwencji nienasyconych tłuszczem i nasyconych tłuszczem w tym samym czasie12. Byłoby to jednak pożądane, ponieważ zastosowana technika tłumienia tłuszczu głęboko wpływa na rozmiar artefaktu.

Tutaj prezentujemy protokół, który pozwala na niezawodną, półautomatyczną, opartą na progach, trójwymiarową kwantyfikację utraty sygnału i artefaktów nawarstwiania się całego implantu, lub wszystkich wycinków zawierających widoczne artefakty implantu. Ponadto pozwala na testowanie obrazów T1 i T2-ważonych z nasyceniem tłuszczu lub bez. Protokół może być wykorzystany do oceny przydatności różnych implantów do rezonansu magnetycznego lub podatności różnych sekwencji impulsów na artefakty metaliczne dla danego implantu.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

1. Przygotowanie Phantom

  1. Określić objętość implantu (np. za pomocą metody wypierania wody).
    UWAGA: Objętość próbki CCT-T i próbki Z-T wynosiła odpowiednio 0,65 ml i 0,73 ml.
  2. Utrwal pozycję implantu w środku nieferromagnetycznego, plastikowego, wodoodpornego pudełka za pomocą cienkiego gwintu. Użyj pola, które jest większe niż oczekiwane artefakty MRI.
    UWAGA: Jeśli nie są dostępne przybliżone szacunki objętości artefaktów implantu i/lub sekwencji impulsów będących przedmiotem zainteresowania, wykonaj skan testowy, umieszczając fantom w pudełku, około 10 razy większym niż fantom, wypełnionym wodą. Objętości artefaktów w tym badaniu wahały się od 7,3 ml (dla próbki CCT-T) i 0,09 ml (dla próbki Z-T).
  3. Ostrożnie stopić mieszaninę półsyntetycznego tłuszczu (58,8%), wody (40%) i stearynianu makrogolu-8 (1,2%) w łaźni wodnej o temperaturze 50 °C.
    UWAGA: W przypadku próbek w tym badaniu użyliśmy mieszaniny o pojemności 500 ml do zatopienia każdej próbki.
    1. Gdy mieszanina stanie się płynna, przerwij podgrzewanie i zacznij od powolnego mieszania, a następnie przestań podgrzewać. Upewnij się, że nie ma oddzielenia fazy tłuszczowej i wodnej.
  4. Gdy tylko zacznie się krzepnięcie, powoli zacznij osadzać implant w mieszance. W tym celu należy powoli wlać mieszaninę do zatapiania do pudełka fantomowego z implantem.
    UWAGA: Nalewanie należy wykonywać powoli, aby uniknąć wtrącenia powietrza.
  5. Umieścić pudełko widmo z osadzonym implantem w lodówce w temperaturze 4 °C na noc w celu wysuszenia. Następnego dnia usuń wszelkie pozostałe części płynu przez dekantację.

2. Badanie MRI

  1. Umieść fantom (pudełko z osadzonym implantem) w rezonansie magnetycznym w tej samej orientacji, co w sytuacji in vivo. Umieść środek fantomu w izocentrum rezonansu magnetycznego.
  2. Do pomiarów należy użyć cewki, która pozwala na jednorodny rozkład sygnału w objętości obrazowania bez poważnych i oczywistych spadków sygnału (np. cewka czołowa).
  3. Planując skany MRI na konsoli MRI, upewnij się, że fantom box, w tym trochę powietrza na krawędziach pudełka, znajduje się w objętości obrazowania.
  4. Następnie wykonaj badanie MRI.

3. Analiza obrazu i przetwarzanie końcowe

  1. Eksportuj obrazy bez utraty jakości (np. przez kompresję) z konsoli MRI (np. przy użyciu formatu DICOM). Zaimportuj obrazy do oprogramowania do przetwarzania końcowego MRI, które pozwala na umieszczenie obszaru zainteresowania (ROI), ocenę intensywności sygnału ROI, segmentację opartą na progach i kwantyfikację objętości segmentacji (patrz tabela materiałów).
  2. Aby zdefiniować próg dla nawarstwiających się artefaktów i sprawdzić, czy rozkład sygnału jest jednorodny w objętości obrazowania, umieść linie prostopadłe do siebie i przylegające do zewnętrznej granicy widocznego artefaktu na przekroju o maksymalnym rozmiarze artefaktu (rysunek 1a).
    UWAGA: Artefakty nawarstwiające się to artefakty przemieszczenia, przedstawiające obszary o sztucznie zawyżonej intensywności sygnału. Występują one w kierunku przekroju i kierunku odczytu.
    1. Umieść tło ROI (ROI Background) o średnicy 10 mm na zewnątrz każdego z czterech punktów przecięcia (Rysunek 1a). Umieść linie i obszary tła zainteresowań za pomocą edytora segmentacji.
    2. Zmierz średnią intensywność sygnału i odchylenie standardowe (SD) wszystkich wokseli w ramach tych 4 wartościtła ROI i osobno dla każdegotła ROI. Użyj narzędzia Statystyka materiału w widoku projektu.
    3. Upewnij się, że średnia intensywność sygnału każdegotła ROI mieści się w zakresie ± 1.5 SD średniego sygnału każdego z pozostałych 3 odpowiedników, aby zagwarantować jednorodną dystrybucję sygnału.
    4. Oblicz próg dla nawarstwiających się artefaktów, dodając 3 SDtła ROI do średniej intensywności sygnału wszystkich wokseli z tych 4 wartościtła ROI. Wykonaj półautomatyczną segmentację artefaktów nawarstwiających się, wybierając wszystkie woksele o intensywności sygnału większej niż próg sąsiadujący z artefaktem utraty sygnału w każdym przekroju. Użyj narzędzia do maskowania w edytorze segmentacji, aby zwizualizować predefiniowany zakres intensywności sygnału i ograniczyć do niego segmentację.
  3. Aby zdefiniować próg dla artefaktów utraty sygnału, umieść 4 obszary zainteresowania (ROI) w obszarach zawierających powietrze (ROIAir; każdy o średnicy 10 mm) w rogach skrzynki fantomowej i zmierz średnią intensywność sygnału i SD wszystkich wokseli w tych 4 ROIAir, jak opisano w kroku 3.2, korzystając z edytora segmentacji i "Statystyki materiałów", odpowiednio.
    UWAGA: Artefakty utraty sygnału występują w wokselach o sztucznie niskim natężeniu sygnału. Są one spowodowane artefaktami defuzy i przemieszczeń.
    1. Umieść zwrot akcji w rdzeniu artefaktu utraty sygnału (rdzeń ROI) zdefiniowanym przez największy połączony obszar o niskim natężeniu sygnału (rysunek 1a). Ręcznie zwiększaj rozmiarrdzenia ROI, aż zostanie znaleziony największy możliwy rozmiar w artefaktie utraty sygnału, którego średnia intensywność sygnału jest niższa niż średni ROIAir + 3x odpowiedniej SD. Na koniec zmierz średnią intensywność sygnału i SDrdzenia ROI.
    2. Oblicz próg intensywności sygnału dla artefaktów utraty sygnału, dodając 3 SDrdzenia ROI do średniejrdzenia ROI. Wykonaj półautomatyczną segmentację artefaktów utraty sygnału w oparciu o próg, wybierając wszystkie woksele podłączone dordzenia ROI o natężeniu sygnału poniżej progu.
    3. Użyj narzędzia do maskowania w edytorze segmentacji, aby zwizualizować predefiniowany zakres intensywności sygnału i ograniczyć do niego segmentację. Jeśli to możliwe, użyj funkcji "Wypełnij" w kliknięciu "Zaznaczenie" edytora segmentacji, aby uwzględnić wszystkie woksele w segmentacji, które nie są jeszcze wybrane. W razie potrzeby ręcznie dodaj dodatkowe artefakty utraty sygnału jednoznacznego do segmentacji.
  4. Odejmij fizyczną objętość implantu od obliczonej objętości artefaktu, aby uzyskać rzeczywistą objętość artefaktu. Powtórz analizę co najmniej 3 razy. Interwał czasowy wynoszący co najmniej dwa tygodnie powinien oddzielać wielokrotne odczyty, aby wykluczyć błąd uczenia się.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Za pomocą wyżej wymienionego protokołu oceniliśmy objętość artefaktów 2 różnych implantów dentystycznych wykonanych z tytanu (T; zobacz Tabelę materiałów) podtrzymujących różne korony [stop nieszlachetny z porcelany zrośniętej z metalem nieszlachetnym (CCT-T) i monolityczny tlenek cyrkonu (Z-T); Rysunek 1b i 1c]. Próbka CCT-T reprezentuje wysoce paramagnetyczny skład materiału, który przewiduje duże artefakty (kobalt 61%, chrom 21% i w...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

Liczba pacjentów z metalowymi implantami oraz liczba badań rezonansem magnetycznym wzrasta obecnieo 1,2,3. W przeszłości unikano badań MRI po endoprotezoplastyce stawów. Obecnie jednak rezonans magnetyczny jest wymagany nie tylko w przypadku obrazowania takich pacjentów, ale powinien również umożliwiać ocenę powikłań bezpośrednio związanych z endoprotezoplastyką stawów. W związku z tym bezpieczeństwo MRI i przydatność implantów ...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Tim Hilgenfeld, Franz S. Schwindling i Alexander Juerchott otrzymali stypendium podoktorskie na Wydziale Medycznym Uniwersytetu w Heidelbergu. Badanie było częściowo wspierane przez Dietmar-Hopp-Stiftung (nr projektu 23011228). Autorzy wyraźnie stwierdzili, że w związku z tym artykułem nie ma konfliktu interesów.

Podziękowania

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

Autorzy dziękują Stefanie Sauer, farmaceutki z Wydziału Farmacji Szpitala Uniwersyteckiego w Heidelbergu, za jej wkład w fantom MRI. Ponadto chcielibyśmy podziękować firmie NORAS MRI products GmbH (Höchberg, Niemcy), a w szczególności Danielowi Gareisowi za dostarczenie prototypu 16-kanałowej cewki uniwersalnej. Ponadto jesteśmy wdzięczni za życzliwą współpracę z firmą SIEMENS Healthcare GmbH (Erlangen, Niemcy), a w szczególności z Mathiasem Nittka za pomoc w ustawieniu sekwencji.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Aqua B. Braun EcotainerB. Braun Melsungen AG, Melsungen, Niemcy
Tłuszcz półsyntetyczny: Witepsol W25Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Niemcy4051
Stearynian makrogolu8 Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Niemcy3023
Pudełko plastikowe: nieokreślone
Implanty: Nobel ReplaceNobel Biocare, Zü bogaty, Szwajcaria
Kąpiel wodna Haake S5PThermo Scientific, Waltham, MA, USA
Cylinder miarowy Blaubrand Eterna, klasa A, Boro 3.3BRAND GmbH + Co Kg, Wertheim, Niemcy32708
Cewka: RóżnorodnośćNoras MRI products GmbH, Hö chberg, Niemcy
Rezonans magnetyczny: Magnetom TrioSiemens Healthcare GmbH, Erlangen, Niemcy
Oprogramowanie do postprocessingu: Amira 6.4Thermo Scientific, Waltham, MA, USA

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Obj to artefaktuutrata sygna uartefakty spi trzeniaobrazowanie z t umieniem t uszczuobrazy T1 zale neobrazy T2 zale neprzygotowanie fantoma

Powiązane artykuły