СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ 3Т И 7Т МРТ КЛИНИЧЕСКИХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЕЙ ИМПУЛЬСОВ ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ГОЛЕНОСТОПНОГО СУСТАВА

Целью данного исследования было проведение сравнение соотношения сигнал/шум и контраст/шум 3Т и 7Т сигналов клинических последовательностей импульсов для визуализации голеностопного сустава с оптимизированными последовательностями и специальными катушками.

Vladimir Juras, Goetz Welsch, Peter Bar, Claudia Kronnerwetter, Hiroyuki Fujita, Siegfried Trattnig

Реферат

Целью данного исследования было проведение сравнение соотношения сигнал/шум и контраст/шум 3Т и 7Т сигналов клинических последовательностей импульсов для визуализации голеностопного сустава с оптимизированными последовательностями и специальными катушками.

Десять здоровых добровольцев были обследованы последовательно на обеих системах в трех клинических режимах томографии: (1) 3D градиент-эхо, T1-взвешенный; (2) 2D фаст спин-эхо, PD-взвешенный  и (3) 2D спин-эхо, Т1-взвешенный. Отношение сигнал/шум ― signal-to-noise ratio (SNR) было рассчитано для шести регионарных зон: хрящ; кости; мышцы; синовиальная жидкость; Ахиллово сухожилие и жировая подушка Kager. Отношение контраст/шум ― contrast-to noise ratio (CNR) было получено для хряща/кости, хряща/жидкости, хряща/мышцы и мышцы/жировой подушки Kager, а также было проведено сравнение с помощью одностороннего ANOVA теста для повторных измерений.

Среднее SNR значение значительно выросло на 7Т по сравнению с 3T для 3D GRE и 2D TSE ― 60,9% и 86,7% соответственно. В отличие от этого, среднее значение CNR снизилось почти на 25% при изучении последовательности 2D SE. Увеличение значения CNR наблюдалось на 2D TSE изображениях, а также в большинстве изображений 3D GRE.

Таким образом, были установлены  существенные преимущества ультра-сильного поля МРТ визуализации голеностопного сустава по сравнению с обычной клинической последовательностью сигналов при 7Т  сравнительно с 3Т. Более высокие значения SNR и CNR в сканерах с ультра-сильным полем МРТ могут быть полезны в клинической практике для работы с изображениями голеностопного сустава. Тем не менее, для получения оптимальных результатов необходимо применение тщательно оптимизированных протоколов и специальных катушек.

ВВЕДЕНИЕ

В последнее время началось бурное развитие сканеров МРТ с ультра-сильным полем. В теории, если катушка и предмет считаются эквивалентными, то отношение сигнал/шум ― signal-to-noise ratio (SNR) и отношение контраст/шум ― contrast-to noise ratio (CNR) будут почти линейно зависеть от статического магнитного поля B0. Поведение SNR, однако, по-видимому более сложное, особенно при применении приложений, рассчитанных для людей в 7T (в основном из-за артефактов, чувствительности и расширенного химического сдвига).

В теории, значение SNR между 3Т и 7Т должно увеличиваться на коэффициент 2,3. Это, однако, не полностью достижимо в практическом применении МРТ. Одной из главных проблем визуализации с помощью сканеров МРТ с ультра-сильным полем  является ограничение удельной скорости поглощения ― specific absorption rate (SAR), которое ограничивает передачу последовательностей со сканерами с ультра-сильным полем. В последнее время разработаны параллельные методы визуализации, которые обладают большим потенциалом для преодоления проблемы SAR. Для уменьшения искажений необходима правильная настройка импульсных свойств и пропускной способности приемника. Увеличенная пропускная способность используется для того, чтобы уменьшить вероятность артефактов химического сдвига между частотой жира и воды. Несмотря на значительные достижения в дизайне магнитной катушки для работы с изображениями ультра-сильных полей, все еще нет  специальных катушек для изображения опорно-двигательного аппарата, что необходимо для получения реальных преимуществ от более сильных значений полей. В этом напрвлении мульти-элементная фазированная катушка является перспективным решением.

МРТ широко используется для визуализации различных анатомических структур, голеностопного сустава, таких как: хрящ, сухожилия или кости. Для большинства из этих опций, высокое значение SNR является необходимым условием для успешной диагностики или при применении продвинутых количественных методов оценки. Более силовые поля через более высокое значение SNR и разрешение могут обеспечить преимущества в биохимической оценке хряща, более надежные данные для трабекулярной сегментации кости или для расширенной визуализации сухожилий.

Целью данного исследования было изучение эффективности клинических МРТ последовательных импульсов в естественных условиях визуализации голеностопного сустава при применении сверхсильного поля (7Т), а также сравнение их с 3T аналогами. Также были проведены сравнительные исследования разных анатомических регионов для SNR и CNR. Использование МРТ визуализации  со сверхсильными полями может иметь значительное преимущество в связи с более высокими значениями SNR и лучшим пространственным разрешением.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Десять здоровых добровольцев (средний возраст 28,3 ± 6,4) были последовательно обследованы на на 3Т (Tim Trio, Siemens Healthcare, Эрланген, Германия) и 7Т (Siemens Healthcare, Эрланген, Германия) МРТ сканерах. Комиссия по этике Венского медицинского университета дала разрешение на исследования, а также  было получено письменное информированное согласие от всех добровольцев до их включения в исследование. При 3Т режиме использовалась восьмиэлементная специальная коленная катушка (In Vivo, OR, USA)) и при режиме 7T, была использована двадцативосьмиканальная коленная катушка (QED, USA).

Протокол измерений для обоих магнитных полей состоял из трех последовательностей импульсов, которые широко используется в клинической практике для магниторезонансной томографии голеностопного сустава: (1) трехмерная Т1 ― взвешенное градиентное эхо в сагиттальной плоскости (3D GRE), (2) двумерное PD-взвешенное жиронасыщенное  быстроспиновое эхо во фронтальной плоскости (2D-TSE) и PD-взвешенное, а также (3) двумерное T1 взвешенное спиновое эхо в сагиттальной плоскости (2D SE). В случае использования 2DTSE, пиксельное разрешение было похожим между 3Т и 7Т режимами, что является результатом снижения общего времени захвата при 7T режиме. Для 3D GRE и 2D SE, общее время захвата было аналогичным, а пиксельное разрешение было выше на 7Т изображениях. Информация о всех параметрах последовательностей импульсов представлена в таблице 1. Кроме того, каждая последовательность импульсов была использована с импульсом нулевого напряжения на обоих магнитных полях для получения изображения распределения шума.

Значения SNR различных анатомических структур рассчитывали как соотношение среднего сигнала и стандартного отклонения шума. Стандартное отклонения шума отличали от изображений чистого шума  путем размещения области исследования соответствующих изображений, скопировав области исследования из сигнальных изображений. Определение всех областей исследований были выполнены с помощью отраслевого стандарта создания, хранения, передачи и визуализации медицинских изображений и документов обследованных пациентов DICOM JiveX (Visus GmbH, Бохум, Германия).

Анатомические области для обработки были определены следующим образом: хрящ; кость; синовиальная жидкость; жировая подушка Kager; мышца; Ахиллово сухожилие (Рис. 1).

Рис. 1. Определение интересующей области для оценки значений SNR и CNR. Оценивалась внутренняя площадь интересующей области, при этом края не были включены в исследование.

Ахиллово сухожилия не видно на TSE изображениях из-за корональной ориентации, поэтому область исследования для сухожилий была опущена для этой конкретной последовательности. Для каждой последовательности импульсов области исследования были размещены на трех последовательных срезах и усреднены. Соотношение  контраст-шум  (CNR) были рассчитано для хряща/кости, хряща/жидкости, хряща/мышцы и мышцы/жировой подушки (Рис. 2-4).

Для проверки воспроизводимости и вариабельности данных между операторами в определении области исследования, группу из трех добровольцев неоднократно оценивал специалист с 25-летним опытом работы в рентгенологии опорно-двигательного аппарата (ST), и ту же группу оценивали три независимых эксперта с 25- (ST), 10- (GW) и 5- (VJ) летним опытом работы в рентгенологии опорно-двигательного аппарата соответственно. Воспроизводимость измерений была оценена с помощью внутриклассового коэффициента корреляции ― intra-class correlation coefficient (ICC). Вариабельности данных между операторами была выражена как коэффициент вариации ― coefficient of variation (CV) в процентах.

SNR и CNR значения сравнивали между 3Т и 7Т с помощью одностороннего ANOVA теста для повторяющихся измерений. Значение р ― меньше, чем 0,05 рассматривалось как статистически значимое.

РЕЗУЛЬТАТЫ

ICC показал очень хорошую согласованность для почти всех измерений для 3Т и 7Т (0,95 в среднем). Вариабельности данных между операторами была меньше чем 8%. Общее среднее значение SNR для 3T было 23.64 ± 4.65, а для  7Т ― 57.11 ± 13,7. Значение  SNR было значительно выше при 7Т  по сравнению с 3Т в большинстве случаев при использовании последовательности импульсов GRE и TSE.

Среднее  увеличение значения SNR для 3D GRE и 2D TSE было 60,9% и 86,7%, соответственно. Для 2D SE снижения SNR наблюдалось почти на 25%. Несущественные различия были в основном найдены при использовании SE последовательности, в частности в костной ткани (р = 0,207), жировой ткани (р = 0,51) и сухожилии (р = 0,401). Значения SNR для обеих мощностей полей приведены в таблице 2. Значение CNR было значительно выше в 7T в большинстве анатомических областей для последовательности импульсов TSE. Меньшее количество значимых различий было обнаружено для последовательностей GRE и SE. Резюмирующие значения CNR для разных комбинаций анатомических областей приведены в таблице 3.

Таблица 1. Результаты параметров трех клинических режимов томографии

Рис. 2. 3D GRE голеностопного сустава здорового человека ― волонтёр, 25 лет, сагиттальная проекция, сравнение (А) 3Т и (В) 7Т. Разрешение изображений 7Т  видимо лучше. Значение SNR было в среднем на 60% выше при 7Т по сравнению с 3Т изображениями.

Рис. 3. 2D TSE голеностопного сустава здорового человека ― волонтёр, 25 лет, коронарные проекции. При 7T (B), большее значение SNR было обнаружено во всех определяемых анатомических областях, а также более высокое CNR в большинстве случаев по сравнению с 3T (A).

Таблица 2. Анализ значений SNR для различных анатомических структур при 3Т и 7Т.

Рис. 4. 2D SE голеностопного сустава здорового человека ― волонтёр, 25 лет,  сагиттальная проекция. Большинство значений SNR и CNR существенно не отличаются друг от друга при 3Т (А) и 7Т (В).

Таблица 3. Соотношение контраст/шум (CNR) отдельных тканей и их сравнение между двумя мощностями поля (3Т и 7Т). Значение р означает статистическую значимость средней разности CNR, которая рассчитывается с помощью одностороннего ANOVA теста для повторяющихся измерений.

ОБСУЖДЕНИЕ

В этом исследовании изображения стандартных клинических последовательностей сравнивались между 3Т и 7Т МРТ. При визуализации голеностопного сустава при 7T было показано преимущество по сравнению со стандартными протоколами МРТ при 3Т. Исследование показало значительно более высокую информативность клинических последовательностей МРТ в изображении голеностопного сустава при 7Т по сравнению с 3T в двух из трех исследуемых последовательностей импульсов.

Наибольшее преимущество в повышении значения SNR при 7T было ранее продемонстрировано при визуализации головного мозга для диагностики очагов рассеянного склероза, а также для оценки перфузии головного мозга. Последние исследования также показали преимущества формирования изображений х-ядер в 7Т, таких как натрий или фосфор. На сегодняшний день существует небольшое количество статей, которые посвящены изображению опорно-двигательного аппарата при применении МРТ со сверхсильным полем. Regatte и Schweitzer показали возможность получения изображения опорно-двигательного аппарата с высоким разрешением в естественных условиях при использовании 7T и указал на важность использования специальной катушки и оптимизированных протоколов. Период релаксации, контрастность и SNR в различных анатомических областях в коленном суставе были исследованы при 7T Pakin и др. Увеличение значений SNR и CNR изображений запястья между 3Т и 7Т выявлены в исследовании Chang и др. Они также продемонстрировали связь между SNR и фактором ускорения при оценке параллельных изображений. Также был достигнут прогресс в визуализации спинного мозга при 7T с помощью специальных отдельных  катушек.

Расчет SNR при оценке параллельных изображений с использованием мульти-элементной катушки ― тне просто соотношение сигнала и стандартного отклонения, которые измерены в области без сигнала. Пространственное  распределение шума зависит от профилей чувствительности отдельных элементов катушки и, кроме того, результирующее комбинированное изображение вычисляется нелинейными операциями. Несколько комплексных методов для расчета SNR были разработаны в прошлом, среди них методика множественного захвата данных (со 100 и более повторными измерениями). Тем не менее, этот подход требует устойчивой системы MРТ, что не практично в естественных условиях. Более оптимальная производительность обеспечивает генерирование псевдо-мультиповторения, которое использует несколько реконструкций генерируемого шума; однако это занимает довольно много времени и вычисления. Другой путь ― получение изображения чистого шума при использовании импульса при нулевом напряжении, а затем рассчитывать шум от выбранной области исследования (так же методика, которая используется для расчета SNR). Последний метод ― получение изображения чистого шума, был использован в данном исследовании. Уровень шума был измерен отдельно для всех трех последовательностей импульсов в обоих магнитных полях для сохранения надежности оценки шума.

В процессе передачи клинических последовательностей в более сильном магнитном поле, существуют два возможных сценария: либо оставить разрешение изображений на том же уровне и получить преимущество от улучшенного временного разрешения, или получить более сильный сигнал в пределах одного и того же общего времени захвата. Для 3D GRE, разрешение было на 33% выше при 7Т, по сравнению с 3Т. При 2D TSE последовательности было установлено, что на полученных изображениях на 25% было выше  разрешение при 7Т. При оценке спин-эхо последовательности измерения имели тем же параметры разрешения при 3Т и 7Т, но результирующее общее время захвата уменьшилось с 4:33 минуты до 2:57 минут.

При оценке изображений из последовательности 2D SE мы не наблюдали увеличение значения SNR при 7Т по сравнению с 3Т; напротив, значения SNR в кости, жировой подушке и сухожилии были немного ниже в 7Т. Значения SNR хряща, мышцы и жидкости были даже значительно выше при 3T по сравнению с 7Т. Причиной этого может быть  ручная настройка частота для получения оптимального T1-взвешенного изображения. Для получения оптимальных T1-взвешенных изображений с параметрами, аналогичными 3T необходимо уменьшение полученного сигнала в тканях, которые представляют интерес (хрящ, мышцы) из-за разных условий исследований, обусловленных различиями в режиме T1.

Для последовательности TSE, значения CNR были выше для всех комбинаций режимов. Это также подтвердилось для изображений, полученных при 3D GRE, за исключением контраста между хрящом и мышцами. CNR в этом случае по-прежнему было выше при 7T (21,17, против 25,54), но без статистической значимости.

Одним из возможных ограничений данного исследования может быть разница между параметрами соответствующих последовательностей при 3Т и 7Т. Тем не менее, при передаче последовательности импульсов в более высоком магнитном поле, оптимизация параметров имеет решающее значение. В этом исследовании мы попытались сравнить клинически оптимизированные последовательности, а не оценить 3T последовательности, которые просто перенесены на 7Т. Тем не менее, некоторые параметры (такие как полоса пропускания или пиксельное разрешение) необходимо принимать во внимание при интерпретации SNR, так как они могут оказывают существенное влияние на итоговые значения. Применение ультравысокого поля MРТ имеет множество проблем, которые необходимо преодолеть, например, пределы поглощения энергии. Это обычно осуществляется путем изменения параметров (уменьшение флип угла и количества срезов, или увеличением времени повторений). Другим ограничением может быть использование катушек с различной геометрией и числом элементов. С этой целью был оценен уровень чистого шума. При этом была найдена высокая однородность распределения пространственного шума, сравнимая между обеими катушками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существенное преимущество было показано для ультравысокого поля МРТ голеностопного сустава с обычными клиническими последовательностями импульсов при 7T, по сравнению с 3Т. Более высокие значения SNR и CNR на МРТ сканерах с ультравысокими полями могут быть полезными в клинической практике для визуализации голеностопного сустава. Тем не менее, для получения оптимальных результатов необходимы тщательно оптимизированные протоколы и специальные катушки, предназначенные для конечностей.

БЛАГОДАРНОСТИ

Финансирование данного исследования была предоставлено Vienna Spots of Excellence des Wiener Wissenschafts-und Technologie-Fonds (WWTF) – Vienna Advanced Imaging Center – VIACLIC и Slovak Scientific Grant Agency VEGA No. 2/0090/11.