Summary
Nós descrevemos um método padronizado para avaliar artefatos de ressonância magnética causados por implantes para estimar a adequação dos implantes por ressonância magnética e/ou a vulnerabilidade das sequências de pulso diferentes artefatos metálicos ao mesmo tempo.
Abstract
Como o número de scanners de ressonância magnética (MRI) e pacientes com implantes médicos está crescendo constantemente, radiologistas cada vez mais encontram artefatos de relacionados ao implante metálicos em MRI, resultando em qualidade de imagem reduzida. Portanto, a adequação de MRI de implantes em termos de volume de artefato, bem como o desenvolvimento de sequências de pulso para reduzir artefatos de imagem, está se tornando cada vez mais importante. Aqui, apresentamos um protocolo abrangente que permite uma avaliação padronizada do volume artefato de implantes na RM. Além disso, este protocolo pode ser usado para analisar a vulnerabilidade de sequências de pulso diferentes artefatos. O protocolo proposto pode ser aplicado a imagens ponderadas T1 e T2 com ou sem supressão de gordura e passivos todos os implantes. Além disso, o procedimento permite a identificação separada e tridimensional dos artefatos de perda e destruição de sinal. Como inquéritos anteriores diferem grandemente em métodos de avaliação, a comparabilidade dos seus resultados foi limitada. Assim, medidas padronizadas de volumes de artefato de MRI são necessárias para fornecer melhor comparabilidade. Isso pode melhorar o desenvolvimento da aptidão dos implantes MRI e melhor pulso sequências finalmente melhorar o atendimento ao paciente.
Introduction
MRI tornou-se uma ferramenta indispensável de diagnóstica. Como resultado, o número de sistemas de MRI usado no diagnóstico de rotina está aumentando ainda mais1. Ao mesmo tempo, o número de pacientes com implantes está aumentando, também,2,3. Em 2012, por exemplo, mais de 1 milhão de joelho e próteses foram realizados nos EUA sozinho4. A prevalência de tais implantes foi de aproximadamente 7 milhões em 2010, que corresponde a mais de 10% das fêmeas no grupo etário 80-89 anos5. Como resultado, a qualidade da imagem e a importância do diagnóstica dos exames de MRI estão muitas vezes prejudicados por artefatos devido os implantes metálicos, resultando em uma diminuição da acuidade diagnóstica. Portanto, a adequação de MRI dos implantes e a vulnerabilidade de artefato de sequências de pulso estão se tornando cada vez mais importante. Várias abordagens têm sido publicadas para avaliar essas características. Devido a fortes discrepâncias nos métodos de avaliação utilizados, no entanto, os respectivos resultados são difíceis de comparar.
Uma avaliação da adequação dos materiais MRI pode ser executada através do cálculo de sua susceptibilidade magnética6. No entanto, a vulnerabilidade das sequências de pulso diferentes artefatos não pode ser comparada com essa abordagem para um determinado implante. Vice-versa, os volumes de artefato para uma sequência de pulso determinado pode somente ser aproximadamente estimada para diferentes implantes. Além disso, a análise é frequentemente realizada com implantes artificialmente em forma de7,8. Como o volume de material e forma têm uma influência sobre o artefato tamanho6, esses recursos devem ser considerados também. Como alternativa à susceptibilidade magnética, o tamanho do artefato pode ser avaliado. Frequentemente, estudos dependem apenas da avaliação qualitativa do artefato tamanho9 ou foco no tamanho artefato bidimensional cobrindo apenas uma fatia do implante artefato10,11. Além disso, abordagens de segmentação manual são frequentemente utilizadas, que não é apenas demorado mas também propenso a intra e inter reader diferenças11. Finalmente, protocolos, muitas vezes não permitem testar para sequências de gordura não-saturada e saturada de gordura no mesmo tempo12. Isto, no entanto, seria desejável, uma vez que a técnica de supressão de gordura aplicada profundamente afeta o tamanho do artefato.
Aqui, apresentamos um protocolo que permite a confiança, semi-automática, tridimensional, baseado em limite de quantificação dos artefatos de perda e pile-up sinal do implante inteiro ou todas as fatias contendo artefatos de implante visível. Além disso, permite testar imagens ponderadas T1 e T2 com ou sem gordura-saturação. O protocolo pode ser usado para avaliar a adequação de MRI de diferentes implantes ou a vulnerabilidade das sequências de pulso diferentes artefatos metálicos para um determinado implante.
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Protocol
1. preparação fantasma
- Determine o volume do implante (por exemplo, usando o método de deslocamento de água).
Nota: O volume da amostra CCT-T e a amostra Z-T medido 0,65 mL e 0,73 mL, respectivamente. - Corrigi a posição do implante no meio de uma caixa de não-ferromagnetic, plástica, à prova d'água, usando um fio fino. Use uma caixa maior que a esperada artefatos de MRI.
Nota: Se não há estimativas aproximadas de volumes de artefato da sequência de implante e/ou pulso de interesse estão disponíveis, executar uma verificação de teste colocando o fantasma em uma caixa, de aproximadamente 10 x maior do que o fantasma, cheio de água. Os volumes de artefato no presente estudam variou de 7,3 mL (para a amostra de CCT-T) e 0,09 mL (para o exemplo de Z-T). -
Cuidadosamente, derreter uma mistura de gordura semi-sintéticos (58,8%), água (40%) e macrogol-8-estearato (1.2%), utilizando um banho de água a 50 ° C.
Nota: Para as amostras neste estudo, foi utilizado uma mistura de 500 mL para a incorporação de cada amostra.- Quando a mistura torna-se fluido, pare de aquecer e começar com agitação lenta e pare de aquecer. Certifique-se de que não há nenhuma separação das fases de gordura e água.
- Assim que coagulação começa, lentamente, começa a incorporar o implante com a mistura. Para isso, despeje a mistura de encastre lentamente na caixa fantasma com o implante.
Nota: Derramamento deve ser executada lentamente para evitar inclusão de ar. - Coloque a caixa fantasma com o implante incorporado no refrigerador a 4 ° C durante a noite para dessecação. No dia seguinte, remova quaisquer peças fluidas residuais por decantação.
2. exame de ressonância magnética
- Coloque o fantasma (caixa com o implante incorporado) no MRI na mesma orientação como a situação na vivo . Posição no meio do fantasma no isocentro do MRI.
- Para medições, use uma bobina, que permite uma distribuição homogênea do sinal dentro do volume de imagens sem gotas de grave e evidente sinal (por exemplo, uma bobina de cabeça).
- Quando planear o MRI varreduras no console do MRI, certifique-se de que a caixa fantasma, incluindo um pouco de ar nas bordas da caixa, é dentro do volume de imagens.
- Em seguida, execute o exame de MRI.
3. pós-processamento e análise de imagem
- Exporte as imagens sem perda de qualidade (por exemplo, por compressão) do console do MRI (por exemplo, usando o formato DICOM). Importe as imagens em ressonância pós-processamento de software que permite a colocação da região de interesse (ROI), avaliar a intensidade do sinal ROI, uma segmentação baseada no limiar e uma quantificação dos volumes de segmentação (ver Tabela de materiais).
-
Para definir o limite para artefatos pile-up e verificar se há uma distribuição homogênea do sinal dentro do volume de imagens, colocar linhas perpendiculares uns aos outros e adjacente à borda externa do artefato visível na fatia com a (de tamanho máximo de artefato Figura 1a).
Nota: Engavetamento artefatos são artefatos de deslocamento, apresentando áreas com intensidades de sinal artificialmente elevado. Eles ocorrem na direção de fatia e a direção de leitura.- Coloque um fundo ROI (ROIfundo) com 10 mm de diâmetro exterior de cada um dos pontos de interseção de quatro (Figura 1a). Coloque as linhas e as regiões de fundo de interesses, usando o editor de segmentação.
- Medir a intensidade de sinal média e desvio padrão (SD) de todos os voxels dentro destes 4 valores ROIfundo e para cada ROIfundo separadamente. Use a ferramenta de Estatísticas de Material na vista do projeto.
- Verifique se a intensidade de sinal médio de cada ROIfundo está dentro do intervalo de ± 1,5 SD do sinal médio de cada um dos outros 3 pares para garantir uma distribuição homogênea de sinal.
- Calcule o limiar para artefatos pile-up, adicionando 3 SD de ROIfundo para a intensidade de sinal médio de todos os voxels destes 4 valores de ROIfundo . Execute uma segmentação semi-automática baseado em limite de artefatos pile-up, selecionando todos os voxels com as intensidades de sinal maiores que o limite do adjacente para o artefato de perda de sinal em cada fatia. Use a ferramenta de mascaramento do editor de segmentação para visualizar a escala de intensidade de sinal predefinidos e restringir a segmentação para isso.
-
Para definir o limite para artefatos de perda de sinal, coloque 4 regiões de interesse (ROIs) em regiões que contêm ar (ROIar; de 10 mm de diâmetro) nos cantos da caixa fantasma e medir a intensidade de sinal médio e SD de voxels todos dentro dessas 4 ROI Ar como descrito no passo 3.2, usando o editor de segmentação estatísticas e de "Material", respectivamente.
Nota: Artefatos de perda de sinal presente com voxels com intensidades de sinal baixo artificial. Eles são causados por artefatos de sismogramas e deslocamento.- Coloque um ROI no núcleo do artefato de perda de sinal (ROI) donúcleodefinido pela maior área conectada de intensidades de sinal baixo (Figura 1a). Manualmente, aumente o tamanho do ROInúcleo até que encontra-se o maior tamanho possível dentro do artefato de perda de sinal cuja intensidade média do sinal é menor do que a média ROIar + 3 x do SD respectivo. Finalmente, medir a intensidade de sinal médio e SD do ROICore.
- Calcular o limiar de intensidade de sinal para artefatos de perda de sinal, adicionando 3 SD do ROICore para a média do ROICore. Execute uma segmentação semi-automática baseado em limite de artefatos de perda de sinal, selecionando todos os voxels conectados ao ROICore com intensidades de sinal abaixo do limiar.
- Use a ferramenta de mascaramento do editor de segmentação para visualizar a escala de intensidade de sinal predefinidos e restringir a segmentação para isso. Se possível, use a função de "Preenchimento" na torneira "Seleção" do editor de segmentação para incluir todos os voxels dentro a segmentação que ainda não estão selecionados. Se for o caso, adicione manualmente os artefatos de perda de sinal inequívoco adicionais para a segmentação.
- Subtraia o volume físico de implante do volume calculado artefato para obter o volume de artefato verdadeiro. Repetir a análise de pelo menos 3 x. Um intervalo de tempo pelo menos duas semanas deve separar as várias leituras para excluir um viés de aprendizagem.
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Representative Results
Foram avaliados com o protocolo acima referido, o volume de artefato de 2 diferentes implantes feitos de titânio (T; consulte a Tabela de materiais) apoio diferente de coroas [Liga não-preciosas de porcelana fundida--metal (CCT-T) e monolítico zircônia (Z-T); Figura 1b e 1C]. A amostra de CCT-T representa uma composição de material altamente paramagnética, prevendo grandes artefatos (cobalto cromo de 61%, 21% e o tungstênio 11%; PAUTA ADUANEIRA COMUM). O material da coroa da amostra Z-T representa um material paramagnético baixo (Zirconia 92%; Z). Além disso, quatro sequências diferentes, gordura não-saturada, T2-weighted foram avaliadas para comparar sua vulnerabilidade à artefatos de metal. Especificamente, as técnicas de aquisição de laje múltiplas com um gradiente de vista-ângulo de inclinação, com base na perfeição amostragem com contrastes aplicativo otimizado usando evoluções diferentes ângulo aleta (MSVAT-espaço), fatia de codificação para artefato de metal correção (SEMAC) e suas contrapartes convencionais espaço e eco da rotação de turbo (TSE) foram avaliados (ver tabela 1 para os parâmetros de sequência detalhada). Ressonâncias foram realizadas em um sistema de MRI 3T (consulte a Tabela de materiais) e utilizou-se uma bobina de superfície multiuso de 16 canais. A variação dos parâmetros de sequência de pulso tem um forte impacto sobre o tamanho do artefato. Assim, parâmetros de sequência de pulso foram escolhidos mais próximo possível aos usados nas na vivo dentais ressonâncias para aumentar a possibilidade de transferência dos resultados. A análise foi realizada de 3 x por dois avaliadores independentes. Para comparações múltiplas, utilizaram-se uma análise bidirecional de desvios e testes post hoc de Tukey.
A análise dos dados revela diferenças entre as amostras e as sequências aplicadas. Em todas as sequências, os volumes de artefato combinada (a soma da perda de sinal e pile-up) da amostra CCT-T eram maiores em comparação com a amostra de Z-T (P < 0,001; Figura 2 e Figura 3). Dentro da mesma sequência, o volume de artefato da amostra CCT-T foi de 19,3 x (SEMAC) para 39,6 x (MSVAT-espaço) maior do que o volume de artefato das contrapartes Z-T.
A escolha da sequência de pulso tiveram um impacto significativo no volume de artefato também (Figura 2 e Figura 3). Em relação a amostra CCT-T, os menores volumes de artefato foram observados para TSE e SEMAC e os artefatos maiores espaço (P < 0,001). Além disso, MSVAT-espaço reduziu significativamente o volume de artefato em relação ao espaço (P < 0,001; 3.8 vs 7,3 mL). Em contraste, sem diferenças significativas foram observadas entre SEMAC, TSE e MSVAT-espaço para a amostra Z-T. O volume de artefato para Z-T foi maior no espaço e foi significativamente reduzido pela MSVAT-SPACE (P < 0,05; 0.26 vs 0,1 mL).
Figura 1: exemplos de posicionamento e implante ROI. (um) este painel mostra um posicionamento típico das regiões de interesse (ROIs) para medir os limiares para artefatos de engarrafamento e distribuição de sinal (ROIB = ROIfundo) e artefatos de perda de sinal (ROIA = ROIar ; ROIC = ROICore). O contorno azul assemelha-se o resultado da segmentação semi-automática para artefatos de perda de sinal dentro essa fatia. As áreas vermelhas pequenas correspondem ao resultado da artefatos de engavetamento. (b e c) estes painéis mostram imagens de usados implantes dentários apoiando diferentes coroas unitárias. Cobalto-cromo-tungstênio-titânio (CCT-T); Zircônia-titânio (Z-T). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 2: medições de volume de artefato. (a e b) Estas são gráficos de barra, mostrando que os valores médios com os desvios-padrão do volume tridimensional artefato de todo o implante amostras para todos os 4 sequências avaliadas após subtraindo o volume físico do implante. Se for o caso, desvio-padrão separado barras de erro são dadas para artefatos de perda e destruição de sinal. P ≤ 0,05; P≤ 0,001 clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
Figura 3: aparecimento de artefatos. Estes painéis processam os volumes de artefato dos implantes inteiras (linha superior). Áreas de cor azul representam artefatos de perda de sinal e o vermelho colorido áreas representam engavetamento artefatos. Os painéis mostram as imagens coloridas da fonte (linha inferior) para todas as sequências ponderadas em T2 avaliadas. Painel (um) é a amostra de cobalto-cromo-tungstênio-titânio (CCT-T) e painel (b) é da amostra Zirconia-titânio (Z-T). Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.
| Sequência de | TR/TE [ms] |
Tamanho de VOXEL [mm3] |
FOV [mm2] |
Matriz | Leitura Largura de banda [Hz/Px] |
Fatias |
Fatia codificação de etapas ou oversampling [%] |
IVA | Tempo [seg] |
| ESPAÇO | 2.500/131 | 0,55 x 0,55 x 0,55 | 140 x 124 | 256 x 256 | 501 | 72 | 55.6 | Não | 14:02 |
| MSVAT-ESPAÇO | 2.500/199 | 0,55 x 0,55 x 0,55 | 140 x 84 | 256 x 256 | 528 | 72 | 55.6 | Sim | 06:04 |
| TSE | 5.100/44 | 0,59 0,59 x 1,5 | 150 x 150 | 256 x 256 | 592 | 25 | Não | Não | 03:36 |
| SEMAC | 5.100/45 | 0,59 0,59 x 1,5 | 150 x 150 | 256 x 256 | 592 | 25 | 4 | Sim | 06:19 |
Tabela 1: Parâmetros de todas as sequências usadas.
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Discussion
O número de pacientes com metálicos para implantes e o número de exames de MRI atualmente está aumentando1,2,3. No passado, os exames de MRI foram evitados após as substituições de articulações. Hoje, no entanto, MRI não é requerido apenas para imagens tais pacientes mas também deve permitir a avaliação de complicações diretamente adjacente à artroplastia conjunta. Assim, a segurança de MRI e adequação de MRI dos implantes, bem como as sequências de pulso robusto para a supressão de artefato de metal, estão se tornando cada vez mais importante13. Para a avaliação da adequação de MRI em termos de volume de artefato, apresentamos um protocolo abrangente, tempo-eficiente. Permite uma avaliação confiável, tridimensional de artefatos de perda e destruição de sinal como um indicador da fatia distorções para sequências de pulso suprimido por gordura e não-gordura-suprimidos T1 e T2-ponderado.
Para algumas etapas do protocolo, atenção especial é necessária para alcançar o melhor resultado possível. Após a fusão da substância de incorporação e antes da incorporação do implante, é muito importante agitar a substância encastre tempo suficiente, enquanto começa a arrefecer e suas alterações de estado de agregação (líquido para sólido), como suas fases de gordura e água facilmente separados, mesmo em a presença de um agente emulsificante. Além disso, é importante encher lentamente a caixa fantasma com a substância de incorporação para evitar bolhas de ar. Isto é crucial, porque o ar e sinal perda artefatos ambos resultam em zero sinal, o que levaria a uma sobreavaliação do artefato.
Um sinal alto e homogêneo é necessário para permitir uma avaliação exata do volume artefato. Se a mais alta relação sinal-ruído (SNR) é alcançada por bobinas de superfície, é fundamental testar previamente que a sensibilidade do perfil e o posicionamento da bobina permite uma homogênea do sinal dentro do fantasma (como descrito acima), então que o segmentação baseada no limiar pode executar sem quaisquer erros de segmentação.
Em comparação com outros estudos analisando grandes implantes (por exemplo, quadril ou joelho substituições ou spondylodesis), este protocolo utilizado pequenos implantes, em alguns casos causando volumes de artefato muito abaixo de 1 mL. Mesmo sob tais condições desafiadoras, nós poderia detectar diferenças significativas nos volumes do artefato entre amostras diferentes e sequências de pulso diferentes. Assim, uma elevada precisão do presente protocolo pode ser assumida, permitindo uma avaliação exata do volume MRI artefato de implantes complexos no que diz respeito a sua composição material e forma. Além disso, o protocolo pode ser aplicado para comparar a vulnerabilidade das sequências de pulso diferentes artefatos de metal-induzida causada por um determinado implante.
Numerosos métodos com complexidade diferente têm sido propostos para a avaliação de artefatos metálicos. Para a comparação de sequências de pulso diferentes, Fritz et al usou um ranking qualitativo para avaliar a vulnerabilidade de cada sequência de11. Outros, tais como Zho et al, determinado em volumes de artefato (perda de sinal e pile-up) de avião, medindo-se a maior distância e através de artefatos de avião pela contagem do número de fatias sendo afetados por artefatos10. Ambos os métodos, no entanto, não considera o volume completo do artefato, que pode resultar no sob- ou superestimação do volume do artefato. Isso também se aplica a alguns estudos que usado segmentação manual11. Porque esta é uma abordagem muito demorada, muitas vezes, apenas uma ou duas fatias de centrais são avaliadas de forma visual, negligenciando as proporções de artefato restante.
Estudos em vitro , autores usam agarose ou gelatina como a incorporação de14,de substância15. Ambos os materiais podem ser facilmente manipulados e garantem suficiente sinal em imagens ponderadas T2 e T1. No entanto, eles não permitem a avaliação de sequências de gordura-suprimidos em qualquer ponderação. Isto representa uma grande desvantagem, desde que a supressão de gordura tem um profundo impacto sobre o volume de artefato e é usado regularmente para identificar complicações relacionadas com o implante (por exemplo, edema e coleções fluidas adjacentes ao implante em casos de infecção, partícula de doença ou lesão asséptica dominado pelos linfócitos vasculite-associados)13,16,17.
Algumas limitações do presente protocolo devem ser reconhecidas. Primeiro, ele não permite na vivo a quantificação do volume artefato, como a diferenciação do volume artefato completo requer um sinal de fundo homogêneo. Para avaliações em vivo , outros métodos, como medir a susceptibilidade magnética, podem ser usados. Em segundo lugar, este protocolo permite a detecção de artefatos pile-up (como um indicador da fatia distorções) somente diretamente adjacente para o artefato de perda de sinal. No entanto, distorções de fatia adicional podem ser esperadas além do artefato de perda de sinal também. É por isso é provável que a quantidade de distorções é subestimada.
Em conclusão, este protocolo pode ajudar a padronizar futuros estudos avaliando o volume de artefato de MRI dos implantes e a vulnerabilidade de sequências de pulso para artefatos metálicos. Isso pode ajudar a otimizar a adequação de MRI de implantes e técnicas para melhorar o atendimento ao paciente finalmente de sequências.
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Disclosures
Tim Hilgenfeld, Franz S. Schwindling e Alexander Juerchott receberam um financiamento de uma bolsa de Pós-doutorada da faculdade de medicina da Universidade de Heidelberg. O estudo foi apoiado em parte por Dietmar-Hopp-Stiftung (projeto n. º 23011228). Os autores afirmaram explicitamente que existem sem conflitos de interesse no âmbito deste artigo.
Acknowledgments
Os autores gostam de agradecer a Stefanie Sauer, farmacêutico no departamento de farmácia Heidelberg University Hospital, por suas contribuições para o fantasma de MRI. Além disso, gostaríamos de agradecer a produtos NORAS MRI GmbH (Höchberg, Alemanha) e especialmente de Daniel Gareis para fornecer um protótipo da bobina multiuso 16 canais. Além disso, agradecemos a gentil colaboração com a SIEMENS Healthcare GmbH (Erlangen, Alemanha) e especialmente de Mathias Nittka por sua assistência na configuração da sequência.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aqua B. Braun Ecotainer | B. Braun Melsungen AG, Melsungen, Germany | ||
| Semisynthetic fat: Witepsol W25 | Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Germany | 4051 | |
| Macrogol-8-stearate | Caelo Caesar & Loretz GmbH, Hilder, Germany | 3023 | |
| Plastic box: not specified | |||
| Implants: Nobel Replace | Nobel Biocare, Zürich, Switzerland | ||
| Water bath Haake S5P | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA | ||
| Measuring cylinder Blaubrand Eterna, Class A, Boro 3.3 | BRAND GmbH + Co Kg, Wertheim, Germany | 32708 | |
| Coil: Variety | Noras MRI products GmbH, Höchberg, Germany | ||
| MRI: Magnetom Trio | Siemens Healthcare GmbH, Erlangen, Germany | ||
| Postprocesing software: Amira 6.4 | Thermo Scientific, Waltham, MA, USA |
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