Summary
Descriviamo un metodo standard per valutare la formazione immagine a risonanza magnetica artefatti causati dagli innesti per valutare l'idoneità degli impianti per imaging a risonanza magnetica e/o la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti metallici contemporaneamente.
Abstract
Come il numero di scanner a risonanza magnetica (MRI) e pazienti con protesi mediche è in costante crescita, radiologi incontrano sempre più metallici dell'impianto-gli artefatti relativi in MRI, con conseguente qualità dell'immagine ridotta. Di conseguenza, l'idoneità di MRI degli impianti in termini di volume di artefatto, come pure lo sviluppo di sequenze di impulsi per ridurre gli artefatti di immagine, stanno diventando sempre più importante. Qui, presentiamo un protocollo completo che consente una valutazione standardizzata del volume artefatto degli innesti su MRI. Inoltre, questo protocollo consente di analizzare la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi manufatti. Proposta di protocollo può essere applicata a immagini di T2-weighted e del T1 con o senza protesi grasso-soppressione e tutto passivi. Inoltre, la procedura consente l'identificazione separata e tridimensionale di artefatti di perdita e tamponamento a catena di segnale. Siccome le indagini precedenti differivano notevolmente nei metodi di valutazione, la comparabilità dei risultati è stata limitata. Misure standardizzate di volumi di artefatto di MRI sono quindi necessari per fornire la migliore comparabilità. Questo può migliorare lo sviluppo dell'idoneità degli impianti MRI e impulsi meglio sequenze per infine migliorare la cura del paziente.
Introduction
MRI è diventato un indispensabile strumento di diagnostica. Di conseguenza, il numero di sistemi MRI utilizzati nella diagnostica di routine continua ad aumentare1. Allo stesso tempo, il numero di pazienti con gli impianti è in aumento anche2,3. Nel 2012, per esempio, più di 1 milione e protesi articolari del ginocchio sono stati condotti in USA solo4. La prevalenza di tali impianti era circa 7 milioni nel 2010, che corrisponde ad oltre il 10% delle femmine nel gruppo di età 80-89 anni5. Di conseguenza, la qualità dell'immagine e il significato diagnostico degli esami di MRI sono spesso compromessa da artefatti a causa di impianti metallici, risultante in un'accuratezza diagnostica in diminuzione. Di conseguenza, l'idoneità di MRI degli impianti e la vulnerabilità di artefatto di sequenze di impulsi stanno diventando sempre più importante. Sono stati pubblicati numerosi approcci per valutare queste caratteristiche. A causa di forti discrepanze nei metodi di valutazione utilizzati, tuttavia, i rispettivi risultati sono difficili da confrontare.
Una valutazione dell'idoneità dei materiali MRI può essere eseguita mediante il calcolo loro suscettività magnetica6. Tuttavia, la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti non è paragonabile con quell'approccio per un determinato impianto. Viceversa, i volumi di artefatto per una sequenza di impulsi dato può solo ipotizzare per diversi impianti. Inoltre, l'analisi viene eseguita spesso con impianti di forma artificialmente7,8. Quanto il volume del materiale e la forma hanno un'influenza sul manufatto dimensioni6, queste caratteristiche dovrebbero essere prese in considerazione pure. Come alternativa alla suscettività magnetica, può essere valutata la dimensione del manufatto. Frequentemente, gli studi si basano solo sulla valutazione qualitativa del manufatto dimensione9 o concentrarsi sulla dimensione bidimensionale artefatto solo che coprono una fetta di impianto artefatto10,11. Inoltre, approcci di segmentazione manuale sono spesso utilizzati, che è non solo che richiede tempo, ma anche incline a intra - e inter - reader differenze11. Infine, protocolli spesso non consentono di testare per grasso-insaturi e grassi saturi sequenze alla stesso tempo12. Questo, tuttavia, sarebbe auspicabile, dal momento che la tecnica applicata soppressione grassa influenza profondamente la dimensione del manufatto.
Qui, presentiamo un protocollo che permette per l'affidabile, semiautomatica, tridimensionale, basato su soglia di quantificazione di artefatti di perdita e tamponamento a catena di segnale dell'intero impianto, o tutte le sezioni contenenti gli elementi visibili dell'impianto. Inoltre, esso consente test delle immagini di T2-weighted e del T1 con o senza grasso-saturazione. Il protocollo può essere utilizzato per valutare l'idoneità di MRI di diversi impianti o la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti metallici per un determinato impianto.
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Protocol
1. preparazione fantasma
- Determinare il volume dell'impianto (ad es., utilizzando il metodo di spostamento dell'acqua).
Nota: Il volume del campione CCT-T e il campione di Z-T misurato 0,65 mL e 0,73 mL, rispettivamente. - Correggere la posizione dell'impianto nel mezzo di una scatola non ferromagnetici, plastica, impermeabile utilizzando un filo sottile. Utilizzare una casella che è più grande i previsti artefatti di MRI.
Nota: Se nessun stime approssimative dei volumi artefatto della sequenza dell'impianto e/o impulso di interesse sono disponibili, eseguire una scansione di prova inserendo il fantasma in una scatola, circa 10 volte più grandi del fantasma, riempito con acqua. I volumi di artefatto in questo studiano variava da 7,3 mL (per l'esempio di CCT-T) e 0,09 mL (per l'esempio di Z-T). -
Con cura si fondono una miscela di grasso semisintetico (58,8%), acqua (40%) e macrogol-8-stearato (1,2%), usando un bagno di acqua a 50 ° C.
Nota: Per i campioni in questo studio, abbiamo usato una miscela di 500 mL per l'incorporamento di ciascun campione.- Quando il composto diventa fluido, interrompere il riscaldamento inizia con agitazione lenta e interrompere il riscaldamento. Assicurare che non esiste alcuna separazione delle fasi di grasso e acqua.
- Appena coagulazione comincia, lentamente inizia a incorporare l'impianto con la miscela. Per questo, versare lentamente la miscela di incorporamento nella casella di fantasma con l'impianto.
Nota: Versamento deve essere eseguita lentamente per evitare l'inclusione di aria. - Posizionare la casella di fantasma con l'impianto incorporato in frigorifero a 4 ° C durante la notte per essiccazione. Il giorno successivo, rimuovere qualsiasi residue liquido parti di decantazione.
2. esame di MRI
- Posizionare il fantasma (casella con l'impianto incorporato) nel MRI nello stesso orientamento come nella situazione in vivo . Spostate il centro del fantasma in isocenter del MRI.
- Per le misure, è necessario utilizzare una bobina che permette una distribuzione omogenea del segnale all'interno del volume imaging senza gocce grave ed evidente segnale (per esempio, una bobina di testa).
- Quando il MRI di pianificazione scansioni alla console di MRI, assicurarsi che la casella di fantasma, tra cui un po' aria ai bordi della scatola, sia all'interno del volume imaging.
- Successivamente, eseguire l'esame di MRI.
3. analisi e post-processing delle immagini
- Esportare le immagini senza perdita di qualità (ad es., da compressione) dalla console di MRI (ad es., utilizzando il formato DICOM). Importare le immagini in una risonanza magnetica post-elaborazione software che consente di inserire la regione di interesse (ROI), valutando l'intensità del segnale ROI, una segmentazione basata sulla soglia e una quantificazione dei volumi di segmentazione (Vedi Tabella materiali).
-
Per definire la soglia per manufatti di pile-up e verifica per una distribuzione omogenea del segnale all'interno del volume imaging, inserire righe perpendicolari tra loro e adiacente al bordo esterno del manufatto visibile sulla fetta con l'artefatto massima dimensione ( Figura 1a).
Nota: Pile-up manufatti sono artefatti di cilindrata, che presenta con aree con artificialmente alte intensità del segnale. Si verificano in direzione fetta e la direzione di lettura.- Inserire uno sfondo ROI (ROIBackground) con 10 mm di diametro di fuori di ogni punto di intersezione di quattro (Figura 1a). Posizionare le linee e le regioni di sfondo di interesse utilizzando l'editor di segmentazione.
- Misurare l'intensità del segnale di media e deviazione standard (SD) di voxel tutti all'interno di questi 4 valori ROIsfondo e per ogni ROIsfondo separatamente. Utilizzare lo strumento Materiale statistiche in vista del progetto.
- Assicurarsi che l'intensità di segnale medio di ogni ROIsfondo sia all'interno della gamma di ± 1.5 SD del segnale medio di ciascuna delle altre 3 controparti per garantire una distribuzione omogenea del segnale.
- Calcolare la soglia per gli elementi di tamponamento a catena aggiungendo 3 SD di ROIsfondo all'intensità di segnale medio di tutti i voxel di questi 4 valori ROIsfondo . Eseguire una segmentazione basata su soglia semiautomatica di manufatti di pile-up selezionando tutti i voxel con l'intensità del segnale maggiore rispetto alla soglia adiacente l'artefatto di perdita di segnale in ogni fetta. Utilizzare lo strumento di mascheratura dell'editor segmentazione per visualizzare la gamma di intensità di segnale predeterminato e limitare la segmentazione ad esso.
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Per definire la soglia per gli artefatti di perdita di segnale, posto 4 regioni di interesse (ROI) in regioni contenenti aria (ROIaria; ogni 10 mm di diametro) agli angoli della casella di fantasma e misurare l'intensità del segnale di media e SD di voxel tutti all'interno di questi 4 ROI Aria come descritto al punto 3.2, utilizzando l'editor di segmentazione e "Materiale Statistics", rispettivamente.
Nota: Gli artefatti di perdita di segnale presentano con voxel con intensità del segnale basso artificiale. Essi sono causati da manufatti sfasatrici e spostamento.- Posizionare un ROI nel nucleo del manufatto di perdita di segnale (ROICore) definito dalla più grande zona collegata di intensità bassa del segnale (Figura 1a). Aumentare manualmente le dimensioni del ROICore fino a trovata la dimensione più grande possibile entro l'artefatto di perdita di segnale cui intensità di segnale media è inferiore alla media ROIaria + 3 x dei rispettivi SD. Infine, misurare l'intensità media del segnale e la deviazione standard del ROICore.
- Calcolare la soglia di intensità del segnale per manufatti di perdita di segnale aggiungendo 3 SD del ROICore alla media del ROICore. Eseguire una segmentazione basata su soglia semiautomatica di manufatti di perdita di segnale selezionando tutti i voxels collegato al ROICore con intensità del segnale sotto la soglia.
- Utilizzare lo strumento di mascheratura dell'editor segmentazione per visualizzare la gamma di intensità di segnale predeterminato e limitare la segmentazione ad esso. Se possibile, utilizzare la funzione di "Riempimento" del rubinetto "Selezione" dell'editor segmentazione per includere tutti i voxels entro la segmentazione che non sono ancora selezionato. Se applicabile, aggiungere manualmente gli artefatti di perdita di segnale inequivocabile aggiuntivo alla segmentazione.
- Sottrarre il volume fisico dell'impianto dal volume calcolato artefatto per ottenere il volume vero artefatto. Ripetere l'analisi almeno 3 x. Il più letture per escludere un bias di apprendimento deve essere separati da un intervallo di tempo di almeno due settimane.
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Representative Results
Con il protocollo di cui sopra, abbiamo valutato il volume di artefatto di 2 diversi impianti dentali di supporto diverse corone di titanio (T; si veda la Tabella materiali) [lega di porcellana-fondere--metallo non prezioso (CCT-T) e monolitico ossido di zirconio (Z-T); Figura 1b e 1C]. Il campione di CCT-T rappresenta una composizione di materiale altamente paramagnetica grandi manufatti di predizione (cobalto 61%, Chrome 21% e tungsteno 11%; CCT). Il materiale di corona del campione Z-T rappresenta un basso materiale paramagnetico (Zirconia 92%; Z). Inoltre, quattro sequenze diverse, non grasso saturato, T2-weighted sono state valutate per confrontare la loro vulnerabilità ai manufatti metallici. In particolare, le tecniche di acquisizione di lastra multipli con una sfumatura di vista-angolo-inclinazione basata su una perfezione di campionamento con contrasti ottimizzati per le applicazioni utilizzando evoluzioni diverse flip angle (MSVAT-SPACE), fetta di codifica per metallo artefatto correzione (SEMAC) e loro omologhi convenzionali dello spazio e turbo spin echo (TSE) sono stati valutati (Vedi tabella 1 per i parametri di sequenza dettagliata). Le esplorazioni di MRI sono state eseguite su un sistema di RM 3T (Vedi la Tabella materiali) e una bobina di superficie multiuso di 16 canali è stata usata. La variazione dei parametri di sequenza di impulso ha un forte impatto sulla dimensione artefatto. Così, i parametri di sequenza di impulso sono stati scelti più vicino possibile a quelli utilizzati nelle esplorazioni di MRI in vivo dentale per aumentare la trasferibilità dei risultati. L'analisi è stata eseguita 3 x da due valutatori indipendenti. Per i confronti multipli, sono stati utilizzati una bidirezionale analisi delle varianze e post hoc test di Tukey.
L'analisi dei dati rivela le differenze tra i campioni e le sequenze applicate. In tutte le sequenze, i volumi di artefatto combinato (la somma della perdita di segnale e pile-up) del campione CCT-T erano più grandi rispetto al campione di Z-T (P < 0,001; Figura 2 e Figura 3). All'interno della stessa sequenza, il volume di artefatto del campione CCT-T era 19,3 x (SEMAC) a 39,6 x (MSVAT-spazio) superiore al volume di artefatto della controparte Z-T.
La scelta della sequenza di impulso ha avuto un impatto significativo sul volume di artefatto pure (Figura 2 e Figura 3). Per quanto riguarda l'esempio CCT-T, i più piccoli volumi di artefatto sono stati osservati per TSE e SEMAC e gli artefatti più grandi per lo spazio (P < 0,001). Inoltre, MSVAT-spazio ridotto significativamente il volume di artefatto rispetto allo spazio (P < 0,001; 3,8 vs 7,3 mL). Al contrario, sono state osservate differenze significative tra MSVAT-spazio, TSE e SEMAC per il campione di Z-T. Il volume di artefatto per Z-T era più grande nello spazio ed è stato ridotto significativamente da MSVAT-spazio (P < 0,05; 0,26 vs 0,1 mL).
Figura 1: esempi di posizionamento e impianto ROI. (un) questo pannello mostra un posizionamento tipici delle regioni di interesse (ROI) per la misurazione delle soglie per pile-up artefatti e distribuzione del segnale (ROIB = ROIsfondo) e manufatti di perdita di segnale (ROIA = ROIaria ; ROIC = ROICore). Il contorno blu assomiglia il risultato della segmentazione semiautomatica per manufatti di perdita di segnale all'interno di quella fetta. Le piccole zone rosse corrispondono al risultato di manufatti di pile-up. (b e c) questi pannelli mostrano immagini di impianti dentali usati sostenere diverse corone singole. Cobalto-cromo-tungsteno-titanio (CCT-T); Zirconio-titanio (Z-T). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 2: misure del volume artefatto. (a e b) Si tratta di grafici a barre che mostra che i valori medi con le deviazioni standard del volume tridimensionale artefatto dell'intero impianto campioni per tutte le 4 sequenze valutati dopo aver sottratto il volume fisico dell'impianto. Se applicabile, barre di errore quadratico medio separati sono date per manufatti di perdita e tamponamento a catena di segnale. P ≤ 0.05; P≤ 0,001 Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
Figura 3: comparsa di artefatti. Questi pannelli rendono i volumi di artefatto dell'intero impianto (riga superiore). Il blu colorate aree rappresentano segnale perdita artefatti e il rosso colorate aree rappresentano elementi di tamponamento a catena. I pannelli mostrano le immagini sorgente colorata (riga inferiore) per tutte le sequenze di T2-weighted valutate. Pannello (un) è il campione di cobalto-cromo-tungsteno-titanio (CCT-T) e pannello (b) è del campione zirconio titanio (Z-T). Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
| Sequenza | TR/TE [ms] |
Dimensione del voxel [mm3] |
FOV [mm2] |
Matrice | Della lettura Larghezza di banda [Hz/Px] |
Fette |
Fetta codifica passaggi o sovracampionamento [%] |
IVA | Tempo [sec] |
| SPAZIO | 2.500/131 | 0.55 x 0,55 x 0.55 | 140 x 124 | 256 x 256 | 501 | 72 | 55,6 | No | 14:02 |
| MSVAT-SPAZIO | 2.500/199 | 0.55 x 0,55 x 0.55 | 140 x 84 | 256 x 256 | 528 | 72 | 55,6 | Sì | 06:04 |
| TSE | 5.100/44 | 0,59 x 0.59 x 1.5 | 150 x 150 | 256 x 256 | 592 | 25 | No | No | 03:36 |
| SEMAC | 5.100/45 | 0,59 x 0.59 x 1.5 | 150 x 150 | 256 x 256 | 592 | 25 | 4 | Sì | 06:19 |
Tabella 1: Parametri di tutte le sequenze usate.
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Discussion
Il numero di pazienti con metallica gli impianti e il numero di esami di MRI è attualmente in aumento di1,2,3. In passato, gli esami di MRI sono stati evitati dopo protesi articolari. Oggi, tuttavia, MRI non è richiesto solo per l'imaging di tali pazienti ma dovrebbe anche consentire per la valutazione delle complicazioni direttamente adiacente alla protesizzazione. Così, la sicurezza di MRI e l'idoneità di MRI di impianti, come pure le sequenze di impulso robusto per eliminazione artefatti metallici, stanno diventando sempre più importante13. Per la valutazione dell'idoneità di MRI in termini di volume di artefatto, presentiamo un protocollo completo, tempo-efficiente. Consente una valutazione affidabile, tridimensionale di artefatti di perdita e tamponamento a catena di segnale come un indicatore della fetta distorsioni per grasso-soppresse e non-grasso-soppresse T1-T2-weighted e sequenze di impulsi.
Per alcuni passaggi di protocollo, particolare attenzione è necessaria per ottenere il miglior risultato possibile. Dopo la fusione la sostanza incorporamento e prima di incorporare l'impianto, è molto importante mescolare l'incorporamento sostanza abbastanza a lungo mentre si inizia a raffreddarsi e modifiche apportate al relativo stato di aggregazione (liquido a solido), come sue fasi acqua e grasso, distinguere con facilità, anche in la presenza di un emulsionante. Inoltre, è importante riempire lentamente la casella di fantasma con la sostanza incorporamento per evitare bolle d'aria. Questo è fondamentale perché aria e segnale perdita artefatti entrambi provocare il segnale di zero, che condurrebbe ad una sovrastima del manufatto.
Un segnale di elevata ed omogeneo è necessario per consentire una valutazione accurata del volume artefatto. Se il più alto rapporto segnale-rumore (SNR) è raggiunto da bobine di superficie, è fondamentale testare preventivamente che la sensibilità del profilo e il posizionamento della bobina permette per un omogeneo segnale entro il fantasma (come descritto sopra), così che il segmentazione basata su soglia può eseguire senza errori segmentazione.
Rispetto ad altri studi analizzando gli impianti di grandi dimensioni (ad es., anca o ginocchio sostituzioni o spondilodesi), questo protocollo utilizzato piccoli impianti, in alcuni casi causando volumi artefatto molto di sotto di 1 mL. Anche in tali condizioni difficili, potremmo rilevare differenze significative nei volumi artefatto tra diversi campioni e sequenze di impulsi diversi. Così, una precisione di misura elevata di questo protocollo può essere presupposto, consentendo una valutazione accurata del volume artefatto MRI di impianti complessi per quanto riguarda la loro forma e la composizione del materiale. Inoltre, il protocollo può essere applicato per confrontare la vulnerabilità delle sequenze di impulsi diversi ai manufatti di metallo-indotta causata da un determinato impianto.
Numerosi metodi con diversa complessità sono stati suggeriti per la valutazione di manufatti metallici. Per il confronto delle sequenze di impulsi diversi, Fritz et al. usato una graduatoria qualitativa per valutare la vulnerabilità di ogni sequenza11. Altri, quali Zho et al., determinato in volumi di aereo artefatto (perdita di segnale e pile-up) misurando la distanza più grande e attraverso manufatti aereo contando il numero di fette vengano interessati da artefatti10. Entrambi i metodi, tuttavia, non considera il volume di artefatto completo, che può provocare la sotto- o sopravvalutazione del volume di artefatto. Ciò vale anche per alcuni studi che hanno utilizzato la segmentazione manuale11. Perché questo è un approccio molto che richiede tempo, spesso solo una o due fette di centrale vengono valutati su base visual, trascurando le proporzioni di artefatto restante.
Per studi in vitro , gli autori usano spesso agarosi o gelatina come l'incorporamento sostanza14,15. Entrambi i materiali possono essere gestiti facilmente e garantiscono sufficiente segnale nelle immagini di T1-weighted e del T2. Tuttavia, essi non consentono per la valutazione delle sequenze più grasso-soppresse di qualsiasi ponderazione. Ciò rappresenta un grave inconveniente, dato che soppressione grassa ha un impatto profondo sul volume artefatto e viene utilizzato regolarmente per identificare complicanze dell'impianto (ad es., edema e collezioni fluide adiacenti all'impianto in caso di infezione, particella malattia o lesione asettica del linfocita-dominato vasculite-associates)13,16,17.
Alcune limitazioni di questo protocollo devono essere riconosciuti. In primo luogo, non permette in vivo quantificazione del volume artefatto, come la differenziazione del volume artefatto completo richiede un segnale sfondo omogeneo. Per le valutazioni in vivo , altri metodi, ad esempio misurare la suscettività magnetica, possono essere utilizzati. In secondo luogo, questo protocollo consente il rilevamento di manufatti di pile-up (come un indicatore della fetta distorsioni) solo direttamente adiacente all'elemento di perdita di segnale. Tuttavia, fetta ulteriori distorsioni possono aspettare oltre l'artefatto di perdita di segnale pure. Ecco perché è probabile che la quantità di distorsioni è sottovalutata.
In conclusione, il presente protocollo può contribuire a standardizzare i futuri studi che valutano il volume del manufatto di MRI degli innesti e la vulnerabilità delle sequenze di impulsi di manufatti metallici. Questo potrebbe aiutare a ottimizzare l'idoneità di MRI di impianti e tecniche per migliorare la cura paziente di sequenza.
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Disclosures
Tim Hilgenfeld, Franz S. Schwindling e Alexander Juerchott ha ricevuto finanziamenti da una borsa di studio post-dottorato della facoltà di medicina dell'Università di Heidelberg. Lo studio è stato sostenuto in parte da Dietmar-Hopp-Stiftung (progetto n. 23011228). Gli autori hanno dichiarato esplicitamente che non esistono senza conflitti di interesse in relazione a questo articolo.
Acknowledgments
Gli autori ringraziare Stefanie Sauer, farmacista presso il dipartimento di farmacia Heidelberg University Hospital, per il suo contributo il fantasma di MRI. Inoltre, vorremmo ringraziare prodotti NORAS MRI GmbH (Höchberg, Germania) e soprattutto Daniel Gareis per fornire un prototipo della bobina multiuso 16 canali. Inoltre, siamo grati per la gentile collaborazione con SIEMENS Healthcare GmbH (Erlangen, Germania) e soprattutto Mathias Nittka per la loro assistenza nell'impostazione di sequenza.
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 |
References
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